I. Prefácio Sendo um sector essencial da indústria de fabrico de máquinas, a maquinaria de engenharia possui múltiplas categorias, funções complexas e elevada resistência estrutural. Embora raramente tenha servido de campo de ensaio para várias novas tecnologias de fabrico, o espírito inovador do pessoal científico e tecnológico e a sua coragem para ultrapassar as dificuldades garantiram a eventual difusão [...]
Sendo um sector essencial da indústria de fabrico de maquinaria, a maquinaria de engenharia possui múltiplas categorias, funções complexas e elevada resistência estrutural.
Embora raramente tenha servido de campo de ensaio para várias novas tecnologias de fabrico, o espírito inovador do pessoal científico e tecnológico e a sua coragem para ultrapassar as dificuldades garantiram a eventual disseminação de novas tecnologias no domínio do fabrico de máquinas de engenharia. Estas incluem robôs de soldadura, automação, logística inteligente, entre outras.
Naturalmente, a indústria também favorece a tecnologia de processamento a laser, que é uma tecnologia de processamento de objectos ecológica, amiga do ambiente, eficiente e sem contacto.
O processamento a laser teve origem na Alemanha nos anos 60 e utiliza principalmente partículas de alta energia produzidas por lasers para fundir e vaporizar a superfície da peça de trabalho. Este princípio é utilizado em várias tecnologias de processamento de derivados.
Os feixes de laser oferecem uma elevada estabilidade e anti-interferência e impõem menos restrições à peça de trabalho (como a forma de processamento, o tamanho e o ambiente), permitindo um processamento preciso e de alta qualidade da maioria das peças metálicas e não metálicas.materiais metálicos.
A tecnologia de processamento a laser é conhecida pela sua elevada precisão e especialização. As suas características e vantagens podem ser resumidas da seguinte forma: "alta, rápida, boa, económica e versátil":
(1) Elevado
O processamento a laser oferece alta precisão, eficiência de processamento, utilização de material e eficiência económica.
Por exemplo, uma máquina de corte a laser com um preço de $50.000 pode ajudar uma empresa a recuperar o custo do equipamento e a gerar lucros num ano e meio de processamento normal.
(2) Rápido
O processamento a laser apresenta uma velocidade de processamento rápida, uma vez que o meio de energia do laser é a fonte de luz. Pode atingir velocidades de até 100m/min.
Atualmente, as tecnologias 3G mais avançadas corte a laser são mais de 1,5 vezes mais rápidas do que o equipamento de processamento convencional.
(3) Bom
O processamento a laser é altamente resistente a interferências e não é facilmente afetado por factores ambientais. Isto resulta em peças de qualidade e precisão excepcionais, que podem estar ao mesmo nível (nível de mícron) que as produzidas por maquinação de acabamento em máquinas-ferramenta normais.
(4) Guardar
O processamento a laser é conhecido pela sua eficiência material, uma vez que é menos intensivo em termos de materiais do que outras tecnologias de processamento. Estatísticas incompletas sugerem que o processamento a laser pode economizar entre 10% e 30% de materiais.
Além disso, o processamento a laser é um processo sem contacto, o que requer menos consumíveis para o equipamento. Este facto reduz significativamente os custos de produção.
(5) Largo
O processamento a laser é uma tecnologia versátil que pode ser aplicada a uma vasta gama de materiais, não só a materiais metálicos mas também a materiais não metálicos.
Além disso, o processamento a laser pode lidar com uma gama diversificada de formas, incluindo linhas rectas, curvas e padrões moldados, tornando-a uma tecnologia verdadeiramente livre de barreiras.
Nos últimos anos, devido aos avanços na tecnologia e no equipamento de processamento a laser, este tornou-se mais predominante em vários processos envolvidos no fabrico de produtos de maquinaria de construção.
Segue-se uma panorâmica da atual tecnologia de ponta utilizada nas aplicações das máquinas de construção:
O corte a laser é um método de corte que utiliza um feixe de laser produzido a partir de um oscilador laser. O feixe é focado através de um espelho focal para gerar energia de alta densidade, que é depois direccionada para o material, provocando a sua fusão e evaporação.
Em comparação com outros métodos de corte térmico, como a chama e o plasma, o corte a laser pode atingir uma maior precisão com fendas mais pequenas devido à sua grande produção de energia por unidade de área.
O centro de corte de uma empresa, que serve as necessidades dos fabricantes de maquinaria de construção, como a Carter, a Komatsu e a John Deere, bem como as empresas locais de apoio, tem mais de 100 peças de equipamento em seis categorias: corte por plasma fino, corte por laser de fibra, corte em bisel plano, corte de linhas de intersecção de tubos, máquinas integradas de perfuração e corte e corte de aço de secção.
Este equipamento inclui três máquinas de corte a laser bidimensionais (ver Figura 1) e duas máquinas de corte a laser tridimensionais (ver Figura 2). O corte a laser é utilizado para uma vasta gama de peças e componentes de máquinas de construção, incluindo capots, depósitos de combustível, cabinas, etc. Os materiais a cortar vão desde o Q235A geral a chapas e perfis de alta resistência de 1000MPa, com uma espessura de 1 a 25mm. O centro tem uma capacidade de corte anual de 20.000t.
Figura 1 Máquina de corte a laser bidimensional
Figura 2 Máquina de corte a laser 3D
Atualmente, existem dois grandes tipos de corte a laser máquinas utilizadas na indústria de processamento de chapas de máquinas de engenharia: CO2 máquinas de corte a laser e máquinas de corte a laser de fibra.
As emissões de CO2 A máquina de corte a laser é um produto mais antigo e a sua tecnologia não é tão avançada como a do laser de fibra. O comprimento de onda do laser de CO2 é cerca de 1/10 do comprimento de onda do laser de fibra, e a propagação é geralmente efectuada num caminho ótico isolado para o proteger do ar exterior.
Por outro lado, o laser de fibra propaga-se na fibra, proporcionando uma melhor capacidade de passagem do feixe e uma energia mais elevada, resultando numa menor influência térmica e em linhas de corte mais estreitas. Isto é benéfico para melhorar a eficiência do corte, a utilização do material e reduzir a deformação térmica durante o corte da chapa.
Para além do corte a laser convencional e do corte em branco, a tecnologia de corte a laser oferece vantagens no corte de furos circulares, nas lacunas reservadas do processo e na produção de modelos de processos. Pode ser aplicada ao "corte em vez de perfuração" para furos de equipamento de processamento, poupando tempo durante o processo de perfuração, melhorando a eficiência da produção e reduzindo o custo dos modelos de perfuração.
As técnicas de soldadura mais tradicionais utilizadas nas máquinas de construção envolvem soldadura com proteção gasosasoldadura por arco submerso ou soldadura por arco de árgon. No entanto, estes métodos resultam frequentemente em defeitos de qualidade, tais como salpicos excessivos e distorção. Além disso, a luz e o pó do arco de soldadura podem constituir um risco para a saúde física e mental do operador.
Com os avanços tecnológicos, os fabricantes de produtos industriais têm trabalhado para melhorar qualidade da soldaduraA indústria automóvel tem vindo a introduzir gradualmente conceitos da indústria automóvel, como a soldadura de carroçarias em branco, linhas de montagem e fabrico flexível. Introduziram gradualmente conceitos da indústria automóvel, como a soldadura por robô de carroçaria em branco, linhas de montagem e fabrico flexível.
No passado, soldadura a laser A tecnologia de soldadura a laser de placas de espessura média ou ultra-grossa não era comummente utilizada em produtos de maquinaria de engenharia devido à potência insuficiente e às capacidades limitadas para placas de espessura média ou ultra-grossa. No entanto, nos últimos anos, universidades de renome como a Universidade Jiao Tong de Xangai e o Instituto de Tecnologia de Harbin realizaram extensas investigações e experiências sobre a tecnologia de soldadura a laser de placas de espessura média. Isto levou ao desenvolvimento da soldadura por fusão profunda a laser de alta potência, da soldadura por arco composto, da soldadura em ângulo ultra-estreito de várias camadas e da soldadura a laser de pressão negativa em vácuo, entre outros métodos de soldadura.
O arco laser híbrido tecnologia de soldadura foi aplicado com êxito à lança de gruas de máquinas de construção. Combina duas fontes de calor com mecanismos de transmissão de energia e características físicas completamente diferentes para atuar numa posição de soldadura unificada. O resultado é uma maior profundidade de soldadura, uma maior capacidade de colmatar lacunas e uma melhor eficiência de soldadura, criando um efeito 1 +1>2.
Por exemplo, o material do braço extensível de um camião-grua é aço de alta resistência com uma limite de elasticidade de 960MPa, que é a soldadura de compósito MAG de fio duplo a laser (ver Figura 3). Em comparação com os métodos de soldadura tradicionais, esta abordagem tem uma forte adaptabilidade de soldadura e pode ser utilizada para soldadura de alta reflexão, soldadura difícil e soldadura de materiais diferentes. Também melhora a estabilidade do processo de soldadura e a formação da soldadura, ao mesmo tempo que elimina defeitos de soldadura para melhorar a qualidade do cordão de soldadura, atingindo uma taxa de aprovação de inspeção de 100%. Além disso, a eficiência é aumentada em 300%.
A soldadura híbrida é também mais eficiente do que a soldadura com uma única fonte de calor, uma vez que pode efetivamente aumentar a profundidade de penetração em 50%, aumentar a velocidade de soldadurae assegura uma menor entrada de calor. Além disso, tem uma maior eficiência de enchimento e poupa mais de 30% de consumo de fio por unidade.
Fig. 3 Exemplo de um MAG composto por laser aplicação de soldadura
Nos últimos anos, a atividade de refabricação de máquinas de construção desenvolveu-se rapidamente. Por um lado, o país defende fortemente a produção ecológica, que inclui a poupança de energia e a redução do consumo.
Por outro lado, o desempenho dos produtos remanufacturados é essencialmente comparável ao dos produtos novos, mas a cerca de dois terços do preço dos produtos novos. Os utilizadores estão gradualmente a reconhecer este facto, e as empresas também estão dispostas a fazê-lo porque apenas 40% a 60% dos custos de fabrico estão envolvidos.
O refabrico de peças envolve principalmente a substituição de peças gastas, vedantes e a reparação do desgaste dos mecanismos. A tecnologia mais importante utilizada neste processo é a soldadura a laser de alta eficiência, também conhecida como revestimento a laser.
O princípio principal consiste em utilizar um feixe de laser de alta potência e alta densidade para formar uma camada de microfusão na superfície do substrato e adicionar uma composição específica de pó de liga de fusão direta, simultaneamente ou pré-definida, a fim de alcançar o objetivo de reparar uniformemente as peças desgastadas.
Este processo também pertence a um tipo de tecnologia de fabrico de aumento de material, fornecendo soluções de fabrico viáveis e de alta qualidade para a realização de personalização diferenciada de produtos.
O revestimento a laser tem grande flexibilidade, área de superfície opcional, materiais opcionais e até mesmo desempenho opcional. Por exemplo, quando o tambor da mola de um bulldozer de alta potência se desgasta durante a utilização, a reconstrução pode adotar o processamento aditivo de revestimento a laser para a área desgastada (ver Figura 4).
Testado a partir de múltiplas dimensões de resistência ao desgaste, a dureza da superfície é qualificada, o gradiente de dureza da camada na camada de revestimento é razoável, e a estrutura metalográfica é boa. Isto pode aumentar a vida útil do tambor de mola do bulldozer de alta potência em 300%.
Atualmente, o revestimento a laser não é apenas utilizado para o refabrico, mas também substitui o processo original de cromagem e tratamento térmico de pré-indução em novos produtos. Este facto aumenta consideravelmente a competitividade do produto na indústria.
Fig. 4 Aumento a laser do tambor de mola para bulldozers de alta potência
O sistema de gestão da qualidade ISO 9000 exige o controlo do processo de peças e componentes, e a sua qualidade deve ser rastreável. Para rastrear eficazmente a qualidade e a utilização das peças e dos componentes, os fabricantes de máquinas de construção necessitam de uma identificação permanente das peças e dos acessórios de fabrico próprio.
Esta identificação inclui informações básicas como o nome do produto, o número do material, o número do desenho, o fabricante, a data de produção e o código bidimensional.
A tecnologia de marcação tradicional utiliza o movimento mecânico contínuo do cilindro para impactar o objeto, deixando um rasto de movimento na superfície do sinal. No entanto, este método tem desvantagens como o ruído elevado, a escrita esbatida e a deformação do sinal.
A tecnologia de marcação a laser é um método de processamento sem contacto que utiliza o feixe emitido pelo laser para fundir instantaneamente o material na superfície da peça de trabalho. A trajetória do laser na superfície do material é controlada para formar um método de marcação gráfica, como se mostra na Figura 5.
Em comparação com os métodos tradicionais, apresenta as seguintes vantagens
a) Marcação pneumática
b) Marcação por laser
Fig.5 Exemplo de comparação de aplicações de codificação de sinalética
Como demonstrado pelos exemplos acima, a tecnologia de processamento a laser tem sido continuamente utilizada em várias etapas do processo na indústria de fabrico de máquinas de engenharia. Limpeza a laser está a ganhar especial atenção nos sectores aeroespacial, automóvel, máquinas de construção e outros.
Este processo é capaz de remover tinta, limpar moldes e eliminar camadas de oxidação e revestimentos antes da soldadura. Funciona a uma velocidade mais rápida e produz menos resíduos, mas é menos utilizado na atual indústria de maquinaria de construção.
A maioria das empresas de maquinaria de construção incorporou a tecnologia de processamento laser acima referida nas suas próprias normas de processo empresarial para melhorar a qualidade e a eficiência dos seus produtos.
À medida que a tecnologia de processamento a laser se torna mais localizada, as pequenas e médias empresas também estão a considerar a compra de equipamento a laser para reduzir os custos de mão de obra e melhorar a qualidade dos produtos.
No entanto, em comparação com as aplicações normalizadas maduras no estrangeiro, os processadores nacionais ainda têm um longo caminho a percorrer.
A tecnologia de processamento laser é um sistema complexo que combina vários domínios, como o mecânico, o elétrico, o controlo numérico, o ótico e o hidráulico.
Os requisitos técnicos para as empresas entrarem neste domínio são relativamente elevados, razão pela qual os países desenvolvidos, como o Reino Unido, a Alemanha e os Estados Unidos, têm liderado a direção do desenvolvimento da indústria de processamento de laser.
Embora a China tenha entrado neste domínio relativamente tarde, com a implementação contínua da estratégia nacional "Made in China 2025", os chineses fabricantes de equipamentos laser e as instituições de investigação científica têm trabalhado arduamente, e as estrelas emergentes, como a Han's Laser, reduziram o fosso tecnológico em relação ao equipamento laser estrangeiro.
Além disso, o desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser é um processo moroso e exigente que requer os esforços de todos os sectores da sociedade.
Penso que o futuro da tecnologia de processamento a laser se centrará nas seguintes áreas de desenvolvimento.
Como um componente fundamental da tecnologia de processamento a laser, o tamanho do laser determina o tamanho de toda a máquina.
Nas primeiras fases de desenvolvimento, o tamanho dos lasers era relativamente grande e exigia uma quantidade significativa de espaço devido às limitações da microeletrónica e da tecnologia ótica.
No entanto, com o progresso e desenvolvimento contínuos de novas tecnologias laser, como a tecnologia de fibra ótica e a tecnologia UV, foram desenvolvidos lasers mais pequenos com elevada eficiência de conversão, boa estabilidade de funcionamento e boa qualidade de feixe. Este avanço fornece uma base sólida para a miniaturização do equipamento laser.
Para satisfazer a procura do mercado, os fabricantes de equipamento laser já não se concentram apenas em funções de processamento laser únicas. Em vez disso, estão a desenvolver equipamento integrado que pode executar várias funções, como corte, soldadura, tratamento térmico e pulverização. Este equipamento multifuncional maximiza o valor para os clientes.
Com o surgimento da tecnologia da Internet, a inteligência do equipamento tornou-se outra grande tendência na tecnologia de processamento a laser.
Numa fábrica inteligente, vários planos de produção e dados de processamento de materiais serão carregados para a nuvem da empresa. Os engenheiros poderão controlar remotamente o estado de funcionamento do equipamento a partir de um escritório, utilizando um terminal remoto. Esta abordagem permite a digitalização, a automatização e a informatização do processo de fabrico de produtos.
Com a implementação do plano "Made in China 2025", a tecnologia de processamento a laser tornou-se uma ferramenta crucial para promover a transformação e a atualização da indústria de máquinas de construção devido às suas vantagens inigualáveis.
Após a adoção generalizada das tecnologias da informação, como a Internet+ e o 5G, o processamento e o fabrico a laser estão também a evoluir para o fabrico inteligente.
Dado que o governo incentiva as empresas a prosseguirem a inovação tecnológica, os fabricantes de laser continuará a aumentar o investimento em I&D para fornecer ao mercado equipamento laser com um desempenho de custo mais elevado.
Esta iniciativa alimentará a inovação de campos emergentes e processos de fabrico tradicionais, fornecendo simultaneamente apoio técnico para uma aplicação mais ampla da tecnologia de processamento laser na indústria de fabrico de máquinas de construção no futuro.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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