7 soluções para problemas de corte a laser de chapa metálica

Tecnologia de perfuração de corte

Regra geral, perfuração é necessário um pequeno orifício na chapa metálica para qualquer processo de corte a quente, com apenas algumas excepções em que o corte pode começar a partir da borda da chapa metálica.

No passado, um furo era feito com um molde de punção num máquina de estampagem a laser antes do início do processo de corte a laser.

Existem dois métodos fundamentais para corte a laser sem a utilização de um dispositivo de estampagem:

Perfuração com jato de areia

Durante a irradiação contínua do laser, forma-se uma poça de fusão localizada no centro do material. Este material fundido é rapidamente ejectado pelo gás de assistência de oxigénio a alta pressão que acompanha o feixe de laser, resultando na formação de um orifício de passagem.

As dimensões da perfuração são influenciadas principalmente pela espessura da chapa, pela potência do laser e pelos parâmetros do gás de assistência. Tipicamente, o diâmetro médio da perfuração por jato de areia é aproximadamente 50-60% da espessura da chapa. À medida que a espessura da chapa aumenta, as perfurações tendem a tornar-se maiores e podem desviar-se de uma forma circular devido à expansão da zona afetada pelo calor e aos efeitos da gravidade no material fundido.

Este método não é geralmente recomendado para componentes que exijam alta precisão ou tolerâncias apertadas. É mais adequado para a criação rápida de furos em áreas não críticas ou em material de sucata. O processo pode ser optimizado para aplicações específicas através do ajuste dos parâmetros do laser e do fluxo de gás.

É importante notar que a pressão de oxigénio utilizada durante o processo de perfuração é frequentemente semelhante à utilizada em operações de corte. Esta pressão elevada, embora eficaz para a remoção de material, pode levar a salpicos excessivos e a uma potencial contaminação da superfície em redor do local da perfuração. Para aplicações que requerem perfurações mais limpas, podem ser considerados gases de assistência alternativos, como o azoto ou o árgon, embora à custa de uma velocidade de corte reduzida.

Perfuração do pulso

Um laser pulsado de alta potência é utilizado para fundir ou vaporizar rapidamente o material localizado. Os gases inertes, como o azoto ou o ar comprimido limpo, são utilizados como gases auxiliares para atenuar a expansão do furo causada pela oxidação exotérmica. A pressão do gás é mantida mais baixa do que a utilizada no corte assistido por oxigénio. Cada impulso de laser gera microgotículas que são ejectadas, penetrando gradualmente no material. Consequentemente, a perfuração de placas espessas pode demorar vários segundos.

Após a conclusão da perfuração, o gás auxiliar é rapidamente mudado para oxigénio para iniciar o corte. Esta técnica resulta num diâmetro de perfuração mais pequeno e numa qualidade de furo superior em comparação com os métodos convencionais de perfuração por jato. Para atingir este objetivo, o sistema laser deve não só possuir uma potência de saída mais elevada, mas também apresentar caraterísticas espaciais e temporais precisas do feixe. Os lasers de CO2 de fluxo padrão normalmente não cumprem estes requisitos rigorosos.

Além disso, a perfuração por impulsos necessita de um sistema de controlo de gás sofisticado, capaz de regular com precisão o tipo de gás, a pressão e a duração da perfuração. Para garantir cortes de alta qualidade durante a perfuração por impulsos, a transição da perfuração por impulsos para o corte contínuo deve ser gerida meticulosamente.

Teoricamente, os parâmetros de corte, como a distância focal, a distância de afastamento do bocal e a pressão do gás, podem ser ajustados durante o período de aceleração. No entanto, em aplicações industriais, a modulação da potência média do laser revela-se mais prática e eficiente. Isto pode ser conseguido através da alteração da largura do impulso, da frequência ou de uma combinação de ambos. A investigação extensiva demonstrou que a última abordagem, ajustando simultaneamente a largura e a frequência do impulso, produz resultados óptimos em termos de qualidade de corte e estabilidade do processo.

Análise da deformação do corte de pequenos furos (pequeno diâmetro e espessura)

Ao cortar pequenos orifícios com sistemas laser de alta potência, podem surgir problemas de deformação e qualidade devido à concentração de energia numa área confinada. As técnicas tradicionais de perfuração por impulsos (punção suave), embora eficazes para sistemas menos potentes, podem levar à carbonização e à distorção do furo em aplicações de alta potência.

A principal causa deste fenómeno é a intensa localização da energia laser durante a perfuração por impulsos. Esta entrada de calor concentrada pode resultar na fusão excessiva de material, vaporização e stress térmico na área circundante não processada. Consequentemente, a geometria do furo fica comprometida e a qualidade geral do processamento deteriora-se.

Para atenuar estes problemas nos sistemas de corte a laser de alta potência, recomenda-se a transição da perfuração por impulsos para a perfuração por jato (também conhecida como perfuração de impulso único ou punção normal). Este método utiliza um único impulso de alta energia para criar rapidamente o furo inicial, reduzindo a zona afetada pelo calor e minimizando a distorção do material.

As principais vantagens da perfuração por jato de areia para o corte de pequenos orifícios com lasers de alta potência incluem

1. Redução da entrada de calor no material circundante
2. Tempos de processamento mais rápidos
3. Melhoria da geometria dos furos e da qualidade das arestas
4. Risco minimizado de carbonização e deformação do material

Por outro lado, para as máquinas de corte a laser de menor potência, a perfuração por impulsos continua a ser o método preferido para o corte de pequenos orifícios. Esta técnica oferece várias vantagens em sistemas menos potentes:

1. Controlo melhorado do processo de corte
2. Melhoria da qualidade do acabamento da superfície
3. Redução do risco de danos térmicos em materiais delicados
4. Melhor precisão para desenhos complexos

Abordagem da formação de rebarbas no corte a laser de aço com baixo teor de carbono

Ao cortar aço de baixo carbono com tecnologia laser de CO2, a formação de rebarbas pode ser um problema significativo. Compreender as causas de raiz e implementar soluções adequadas é crucial para obter cortes limpos e precisos. Aqui estão os principais factores que contribuem para a formação de rebarbas e as respectivas soluções:

1. Posição focal incorrecta: Efetuar um teste de posição focal e ajustar o desvio em conformidade. A focagem correta assegura uma concentração de energia óptima no ponto de corte.
2. Potência laser insuficiente: Verificar a funcionalidade do gerador de laser e verificar as definições de saída no painel de controlo. Ajustar a potência para corresponder à espessura do material e aos requisitos de corte.
3. Velocidade de corte abaixo do ideal: Aumentar a velocidade de corte através do sistema de controlo da máquina. Encontrar o equilíbrio correto entre velocidade e potência é essencial para cortes limpos.
4. Qualidade do gás de assistência comprometida: Assegurar que é utilizado gás de assistência de elevada pureza (normalmente azoto ou oxigénio). A pureza do gás afecta diretamente a qualidade do corte e a formação de rebarbas.
5. Desvio do ponto focal: Efetuar periodicamente testes de ponto focal, especialmente em sessões de corte longas. Ajuste o desvio para compensar qualquer desvio causado por efeitos térmicos ou desgaste mecânico.
6. Instabilidade do sistema devido a operação prolongada: Se ocorrerem problemas persistentes após longos períodos de funcionamento, considere a possibilidade de reiniciar completamente o sistema. Isto pode resolver falhas de software ou instabilidades relacionadas com a temperatura.

Análise da rebarba na peça de trabalho ao cortar aço inoxidável e chapa de zinco de alumínio com o cortador a laser.

Quando se cortam chapas de aço de baixo carbono, aço inoxidável ou alumínio-zinco com um cortador a laser, a formação de rebarbas é um desafio comum que requer uma consideração cuidadosa de vários factores. As causas principais das rebarbas podem variar consoante as propriedades do material e os parâmetros de corte.

Para o aço com baixo teor de carbono, a investigação inicial deve centrar-se nos principais factores que influenciam a formação de rebarbas, tais como a potência do laser, a velocidade de corte, a posição do ponto focal e a pressão do gás de assistência. No entanto, o simples aumento da velocidade de corte nem sempre é uma solução eficaz, uma vez que pode comprometer a capacidade do laser para penetrar totalmente no material, especialmente quando se processam chapas mais espessas ou materiais altamente reflectores como as ligas de alumínio-zinco.

No caso das placas de alumínio-zinco, que são conhecidas pela sua elevada condutividade térmica e refletividade, são necessárias considerações adicionais. A interação do laser com estes materiais pode ser mais complexa, exigindo frequentemente um bom equilíbrio entre potência, velocidade e ajuste do ponto focal para obter cortes limpos com o mínimo de rebarbas.

Para otimizar o desempenho de corte e reduzir a formação de rebarbas, considere os seguintes factores:

1. Estado do bocal: Um bocal gasto ou danificado pode perturbar o fluxo de gás, levando a cortes inconsistentes e a um aumento das rebarbas. A inspeção regular e a substituição dos bicos são cruciais para manter a qualidade do corte.
2. Estabilidade do sistema de movimento: Vibrações ou instabilidade no movimento da guia podem causar flutuações na posição do ponto focal, resultando em cortes irregulares e formação de rebarbas. Certifique-se de que o sistema de movimento da máquina é mantido e calibrado corretamente.
3. Seleção e pressão do gás de assistência: Para placas de aço inoxidável e alumínio-zinco, o nitrogénio é frequentemente preferido como gás auxiliar para evitar a oxidação. Otimizar a pressão do gás para remover eficazmente o material fundido sem causar turbulência excessiva.
4. Comprimento e posição do ponto focal: Ajuste a posição do ponto focal em relação à superfície do material para obter a densidade de potência ideal para cortes limpos. Isto pode variar consoante a espessura e a composição do material.
5. Otimização dos parâmetros de corte: Afinar a potência do laser, a velocidade de corte e a frequência de impulsos (se aplicável) com base nos requisitos específicos do material. Considere a utilização de bases de dados de parâmetros ou a realização de ensaios de corte para determinar as definições ideais para cada tipo de material e espessura.
6. Qualidade do feixe e estado da ótica: Assegurar que o feixe laser está corretamente alinhado e focado e que todos os componentes ópticos estão limpos e em boas condições para manter um desempenho de corte consistente.

Análise do estado de corte incompleto do laser.

Após uma análise exaustiva, os seguintes factores foram identificados como os principais responsáveis pela instabilidade dos processos de corte a laser:

1. Seleção incorrecta do bico em relação à espessura da chapa:
   A geometria e o diâmetro do bocal influenciam significativamente a dinâmica do fluxo de gás e a eficiência do corte. Bocais desajustados podem levar a uma pressão insuficiente do gás de assistência ou a uma focagem incorrecta do feixe, resultando em cortes incompletos.
2. Velocidade de corte excessiva:
   Quando a velocidade de deslocação ultrapassa a velocidade ideal para um determinado material e espessura, pode levar a uma densidade de energia insuficiente na frente de corte. Isto resulta frequentemente na formação de impurezas, penetração incompleta ou largura de corte irregular.
3. Distância focal incorrecta para materiais mais espessos:
   Para cortar chapas de aço-carbono de 5 mm, é crucial substituir a lente padrão por uma lente laser de 7,5″ de distância focal. Este ajuste optimiza a profundidade de focagem do feixe, assegurando uma concentração de energia adequada em toda a espessura do material.

Outros factores que podem contribuir para um processamento instável incluem

• Incompatibilidade entre a pressão e o tipo de gás de assistência
• Ótica de focagem contaminada ou danificada
• Flutuações na potência de saída do laser
• Distância de separação incorrecta entre o bocal e a peça de trabalho
• Incoerências materiais ou contaminantes de superfície

A solução para padrões de faísca não normais ao cortar aço de baixo carbono

Padrões anormais de faíscas durante o corte a laser de aço de baixo carbono podem afetar significativamente a qualidade das arestas de corte e a precisão geral da peça. Se outros parâmetros de corte estiverem dentro dos limites normais, considere as seguintes causas e soluções potenciais:

1. Degradação do bocal:
   O bocal do laser pode ter-se deteriorado ou estar danificado. Substituir imediatamente o bocal por um novo para restabelecer o desempenho de corte ideal. A inspeção e substituição regulares do bocal devem fazer parte do seu programa de manutenção preventiva.
2. Regulação da pressão do gás de corte:
   Se a substituição imediata do bocal não for viável, uma solução temporária é aumentar a pressão do gás de corte. Isto pode ajudar a compensar o fluxo de gás reduzido devido ao desgaste do bocal ou ao bloqueio parcial. No entanto, monitorize de perto a qualidade do corte, uma vez que a pressão excessiva pode levar a outros problemas, como o aumento da formação de escórias.
3. Ligação do bocal solta:
   A ligação roscada entre o bocal e a cabeça de corte a laser pode ter-se soltado. Neste caso:

• Interromper imediatamente a operação de corte para evitar danos adicionais.
• Inspecionar cuidadosamente o conjunto da cabeça do laser, prestando especial atenção à ligação do bocal.
• Se estiver solto, aperte firmemente a ligação roscada, assegurando o alinhamento correto.
• Efetuar um corte de teste para verificar se o problema foi resolvido.

1. Considerações adicionais:

• Verificar a limpeza do orifício do bico e eliminar eventuais obstruções.
• Verificar a centragem correta do feixe laser no bocal.
• Assegurar que o ponto focal do laser está corretamente definido para a espessura do material.
• Examine o estado da lente de proteção e substitua-a, se necessário.

Seleção de pontos de punção no corte a laser

O princípio de funcionamento do corte por feixe de laser:

Durante o processo de corte a laser, o feixe de laser focado cria uma poça de fusão localizada na superfície do material. À medida que o feixe continua a irradiar, forma uma depressão no centro. O gás auxiliar de alta pressão, coaxial com o feixe de laser, expulsa rapidamente o material fundido, criando um buraco de fechadura. Este buraco de fechadura serve como ponto de penetração inicial para o corte de contorno, análogo a um furo piloto na maquinagem convencional.

O feixe laser desloca-se normalmente perpendicularmente à tangente do contorno cortado. Consequentemente, à medida que o feixe transita da penetração inicial para o corte do contorno, há uma mudança significativa no vetor de corte. Especificamente, o vetor roda aproximadamente 90°, alinhando a direção de corte com a tangente do contorno.

Esta rápida mudança vetorial pode levar a problemas de qualidade da superfície no ponto de transição, resultando potencialmente num aumento da rugosidade ou em variações da largura do corte.

Em operações normais em que os requisitos de acabamento da superfície não são rigorosos, o software CNC automatizado determina geralmente os pontos de punção. No entanto, para aplicações que exigem uma elevada qualidade de superfície ou tolerâncias apertadas, a intervenção manual torna-se crucial.

O ajuste manual do ponto de punção envolve o reposicionamento estratégico do local de penetração inicial. Esta otimização visa minimizar o impacto da alteração do vetor na qualidade do corte. Os factores a considerar incluem:

1. Propriedades do material (espessura, condutividade térmica)
2. Parâmetros do laser (potência, frequência, duração do impulso)
3. Tipo e pressão do gás de assistência
4. Geometria de contorno pretendida

Ao selecionar cuidadosamente o ponto de punção, os engenheiros podem melhorar significativamente a qualidade geral do corte, reduzindo os requisitos de pós-processamento e aumentando a precisão da peça. Podem também ser utilizadas técnicas avançadas, como a rampa ou o rebaixamento, para otimizar ainda mais o processo de penetração.

É importante notar que, embora a seleção manual dos pontos de punção possa produzir resultados superiores, requer conhecimentos especializados e pode aumentar o tempo de programação. Por conseguinte, deve ser efectuada uma análise de custo-benefício para determinar quando se justifica este nível de otimização.