Imagine cortar aço inoxidável de 230 mm de espessura como se estivesse cortando manteiga. Os lasers de fibra de potência ultra-alta, que variam de 10kW a 40kW, revolucionam o setor de corte com velocidade e precisão inigualáveis. Este artigo explora os incríveis avanços na tecnologia laser, revelando como esses lasers potentes aumentam significativamente a produtividade e reduzem os custos. Descubra como o uso de ar em vez dos gases tradicionais, como nitrogênio e oxigênio, torna o corte mais rápido e eficiente. Mergulhe no mundo do corte a laser de fibra de potência ultra-alta e saiba como ele está transformando a metalurgia.
Os lasers de fibra de potência ultra-alta são capazes de realizar cortes rápidos e de alta qualidade em chapas grossas, o que inclui o uso de ar como gás auxiliar para cortar aço inoxidável, e oferecem várias vantagens em relação a outros métodos de corte.
Nos últimos anos, os lasers de fibra de potência ultra-alta (UHP), com potências que variam de 10kW a 40kW, foram rapidamente adotados no mercado de corte, e espera-se que a potência máxima do laser para aplicações de corte continue a aumentar.
Neste artigo, mostraremos os efeitos da aplicação de corte nessa faixa de potência e discutiremos os principais fatores que impulsionam a aplicação de lasers de fibra de potência ultra-alta, incluindo vantagens significativas de produtividade, melhorias na qualidade do corte e a capacidade de cortar materiais mais espessos, como aço inoxidável de 230 mm de espessura a 40 kW.
Para os fins deste artigo, os lasers de potência ultra-alta são definidos como aqueles com potência superior a 10 kW, que permitem novos métodos de processo que podem expandir corte a laser em novos mercados. Um desses métodos é o uso de ar como gás auxiliar para cortar aço inoxidável de até 50 mm de espessura, resultando em velocidades de corte até 4 vezes mais rápidas do que as de alta potência corte a plasma.
Os resultados da aplicação demonstram que os lasers de potência ultra-alta estão transformando o corte de aço inoxidável por meio da utilização de corte a ar em vez da tecnologia de corte com nitrogênio e oxigênio, resultando em um corte de alta qualidade, alta velocidade e econômico.
Tendência de desenvolvimento de 6 anos: máximo potência do laser para aplicações de corte
Fig. 1: Crescimento da potência máxima do laser de fibra usado em equipamentos de corte desde 2016
A tecnologia de corte a laser surgiu há mais de 50 anos e, desde então, vem se desenvolvendo rapidamente. Na década de 1970, foi lançada a primeira máquina comercial de corte a laser, que os primeiros usuários usavam para produção em massa.
Na década de 1980, Corte a laser de CO2 Os equipamentos de laser de fibra óptica passaram a ser amplamente utilizados e, no final da década de 1990 e no início dos anos 2000, foram introduzidos os lasers de fibra de alta potência. No final da década de 2000, o desenvolvimento de lasers ópticos de classe quilowatt corte a laser de fibra fizeram com que o corte a laser se tornasse uma tecnologia de fabricação convencional a partir de uma aplicação em pequena escala.
As máquinas de corte a laser de fibra ocupam uma posição significativa na indústria de metal. corte a laser de chapas devido à sua fácil integração, confiabilidade, baixos custos de manutenção e operação, alto rendimento de corte e viabilidade de expansão de energia.
No final da década de 2010 e no início da década de 2020, o mercado de corte a laser apresentou crescimento em duas direções. A primeira tendência abrange o segmento de baixa potência do mercado, com um aumento acentuado na demanda por máquinas de corte de 1 a 3 kW à medida que os custos de capital dos equipamentos diminuem.
A segunda tendência está no mercado final de alta potência, o que também leva ao aumento da demanda por lasers de potência ultra-alta. Isso é impulsionado pela alta produtividade e pelos recursos técnicos oferecidos pelos lasers de potência ultra-alta com uma alta relação custo-desempenho. O campo de corte a laser passou por uma "transformação de potência" sem precedentes, incomparável com outras tecnologias. fabricação de chapas metálicas processos do mesmo período.
Nas exposições de processamento e fabricação, podemos ver que a potência máxima do laser das máquinas de corte em exibição aumentou de 6 kW em 2015 para 40 kW em 2022, um aumento de quase 7 vezes (consulte a Fig. 1). Somente nos últimos três anos, a potência máxima dos equipamentos a laser aumentou de 15kW para 40kW, um aumento acentuado de 2,5 vezes!
Antes do surgimento da tendência de corte de potência ultra-alta, já havia lasers de fibra confiáveis de alta potência disponíveis há alguns anos. Já em 2013, foram lançados lasers de fibra industriais com potência de saída de 100 kW.
Entretanto, foi somente nos últimos anos que o preço por quilowatt dos lasers caiu rapidamente, o que reduziu o limite para o corte a laser de potência ultra-alta. O desenvolvimento de cabeçotes de corte capazes de suportar a alta potência do laser em ambientes de corte adversos também contribuiu para essa tendência.
Além disso, o banco de dados de corte que pode se adaptar ao equipamento de corte de potência ultra-alta está melhorando continuamente, proporcionando recursos de corte mais precisos.
Esse teste emprega lasers de fibra de alta eficiência de conversão eletro-óptica IPG 40kW YLS-40000 e IPG 30kW YLS-30000-ECO2, juntamente com um diâmetro de núcleo de fibra de 100 µm e cabeçote de corte IPGCut-HP, para avaliar a velocidade e a qualidade do corte de vários metais.
Até onde sabemos, a potência do laser de 40kW e o diâmetro do núcleo da fibra de 100 µm representam a maior potência de laser disponível em um equipamento industrial. luz de corte a laser fonte.
Selecionamos um diâmetro de núcleo de fibra de 100 µm, pois ele proporciona uma velocidade de corte 10-25% mais rápida do que um núcleo de fibra de 150 µm.
Corte de aço carbono com ar como gás auxiliar
Velocidade de corte versus potência do laser
Fig. 2: Diagrama esquemático da velocidade de corte e da potência do corte a ar livre de escória de aço carbono
Nossos experimentos demonstram que o velocidade de corte a laser aumenta à medida que a potência média aumenta (até 40 kW) para todos os metais testados, incluindo aço inoxidável, aço carbono e alumínio.
A Figura 2 mostra a relação entre a velocidade de corte e a potência do laser para aço carbono de 6 a 40 mm com ar, entre 12 kW e 40 kW. A taxa de crescimento aumenta com a espessura do metal.
Por exemplo, ao cortar aço carbono de 12 mm de espessura, a velocidade de corte de 40 kW é 280% mais rápida do que a de 15 kW (com 270% a mais de potência). O corte de aço carbono de 20 mm de espessura com 40 kW produz uma velocidade de corte 420% mais rápida do que a de 15 kW. O corte de aço carbono de 30 mm com um aumento de 33% na potência, de 30 kW para 40 kW, resulta em um aumento de 66% na velocidade de corte.
Assim, os lasers de potência ultra-alta com níveis de potência mais altos podem aumentar ainda mais a eficiência dos lasers de espessura corte de chapas. No entanto, para reduzir significativamente o ciclo de produção, utilizando a velocidade de corte mais rápida proporcionada pelo laser de potência ultra-alta, é essencial cortar peças de trabalho, especialmente as mais finas, em alta aceleração.
Nos últimos anos, a aceleração máxima das máquinas de corte a laser aumentou de 1G para 3G para acomodar uma maior potência do laser. No mercado de ponta, a aceleração das máquinas de corte a laser de potência ultra-alta pode chegar a 6G, no máximo, e seu projeto mecânico garante que não haja desvio perceptível no caminho de corte.
Em comparação com as opções de menor potência, o corte a laser de potência ultra-alta reduz significativamente o custo de processamento de peças unitárias, levando a um retorno mais rápido do investimento e a uma maior lucratividade.
No corte a laser, o custo de processamento decorre principalmente do consumo de gás, que normalmente aumenta com a espessura do componente. No entanto, o corte a laser de ultra-alta potência requer a mesma pressão de gás e o mesmo tamanho de bocal que o corte de baixa potência. A velocidade de corte do laser de ultra-alta potência é mais rápida, o que reduz o custo de processamento. tempo de corte de peças da unidade e reduz bastante o consumo de gás.
Por exemplo, um laser de 30kW pode cortar uma peça típica de aço inoxidável de 16 mm de espessura na metade do ciclo de produção de um laser de 15kW, reduzindo o consumo de gás pela metade.
Embora o consumo de energia dos lasers e resfriadores geralmente aumente linearmente com a potência do laser, o outro consumo de energia do cortador permanece o mesmo. Portanto, o aumento da potência do laser reduz o custo total de energia de cada componente. Com o desenvolvimento contínuo da tecnologia IPG, a eficiência de conversão eletro-óptica dos lasers de fibra de alta potência é superior a 50%, o que resulta em mais economia de energia.
Os lasers de potência ultra-alta também podem economizar o uso de gás. O ar de alta pressão pode ser usado para cortar aço carbono espesso rapidamente e sem escória, evitando o nitrogênio mais caro ou a velocidade de corte mais lenta do oxigênio. A potência ultra-alta também permite a redução da pressão de ar necessária para o corte sem escória no corte com nitrogênio e ar.
Por exemplo, o uso de um laser de potência de 20 kW ou superior para cortar aço carbono de 20 mm de espessura requer apenas 10 a 12 bar de pressão de ar, enquanto um laser de 15 kW requer mais de 16 bar. Essa despressurização significativa ajuda a reduzir o consumo de gás e simplifica a especificação do equipamento de geração de gás.
A eficiência de produção do equipamento de corte a laser de alta potência é duas vezes maior do que a do equipamento de corte a laser de baixa potência, embora o preço do equipamento não seja duas vezes maior. Isso ocorre porque o custo por quilowatt diminui com o aumento da potência do laser. O custo dos lasers de maior potência está incluído no custo total do equipamento, mostrando um crescimento marginal em comparação com os equipamentos a laser de menor potência.
Portanto, a máquina de corte a laser de potência ultra-alta pode alcançar o dobro da eficiência de produção por meio de maior potência do laser, enquanto o custo do equipamento aumentou apenas 30-40%. Devido à melhora significativa na eficiência da produção, os equipamentos de potência ultra-alta podem substituir vários equipamentos de baixa potência, reduzindo o espaço físico, os operadores e a preparação das instalações.
Para garantir a eficiência da produção, a potência ultra-alta máquina de corte a laser de fibra requer maior confiabilidade da fonte de laser e do cabeçote de corte. Uma saída de energia estável e a qualidade do feixe são necessárias para a laser de fibra óptica A fonte de laser, que é afetada pela qualidade dos diodos, componentes e integração óptica. O cabeçote de corte de potência ultra-alta deve suportar alta potência do laser, gás de alta pressão, poeira, calor do processo e alta aceleração para obter um processamento estável e confiável.
| Item | Oxigênio | Nitrogênio | Ar de alta pressão |
| Custo do equipamento de gás | baixo | baixo para alto | alta |
| Custo de operação do gás | baixo | alta | muito baixo |
| Fluxo | baixo | muito alto | muito alto |
| Escória | Nenhum/Baixo | médio | nenhum/baixo |
| Repetibilidade de longo prazo da qualidade da produção | Médio/Alto | muito alto | muito alto |
| Sensibilidade ao ambiente da superfície do material | Médio | baixo | baixo |
| Sensibilidade a composição do material | alta | baixo | baixo |
| Zona afetada pelo calor | Médio | pequeno | pequeno |
| Capacidade de cortar peças complexas ou de alta proporção | Médio | alta | alta |
| Grau de oxidação da superfície de corte | sério | nada | moderado |
| Corte rugosidade da superfície (Rz) | baixo | secundário | médio/alto |
| Grau estético da superfície de corte | bom | secundário | ruim |
| Largura do entalhe | grande | pequeno | pequeno |
| Potência do laser necessária para corte sem escória | baixo | N/A | médio |
O aço carbono pode ser cortado com oxigênio, nitrogênio ou ar como gás auxiliar.
Embora o corte com oxigênio seja eficaz no corte de aço carbono espesso usando uma potência de laser menor devido à energia de oxidação adicional, a velocidade de corte não é diretamente proporcional à potência do laser. Isso pode levar à redução da eficiência da produção.
Por outro lado, a velocidade de corte do corte a ar do aço carbono é diretamente proporcional à potência (consulte a Fig. 2).
Por exemplo, para aço carbono de 16 mm, a velocidade de corte com oxigênio permanece em torno de 2 m/min quando a potência está entre 10kW-30kW, enquanto a velocidade de corte com ar é superior a 9 m/min a 30kW, o que a torna 4,5 vezes mais rápida do que a velocidade de corte com oxigênio.
Para espessuras que exigem o corte usando oxigênio apenas em potência e velocidade mais baixas, os lasers de potência ultra-alta e o ar estão agora disponíveis para processamento, o que é várias vezes mais rápido e produz um acabamento de melhor qualidade.
No entanto, no caso do laser de baixa potência, o corte a ar pode levar à suspensão da escória, que pode ser difícil de remover e produzir uma qualidade de superfície ruim.
O desenvolvimento desse esquema inovador e eficiente de processamento de potência ultra-alta está ganhando popularidade entre setores como a fabricação de equipamentos de construção e a indústria pesada, que exigem uma quantidade significativa de processamento de chapas grossas.
Discutiremos o histórico de desenvolvimento e as vantagens de corte dos lasers de fibra de potência ultra-alta. Na próxima edição, continuaremos a mostrar mais vantagens competitivas do corte a laser de ultra-alta potência por meio de estudos de casos reais.
Fig. 4. Corte de aço inoxidável muito espesso no modo de pulso usando uma máquina ultrafina.cortador a laser de alta potência
(a) 30 kW de potência, nitrogênio cortando aço inoxidável de 70 mm de espessura;
(b) Potência de 40 kW, corte a ar de aço carbono com 230 mm de espessura.
Os resultados dos testes indicam que, à medida que a potência do laser de ultra-alta potência aumenta, o mesmo acontece com a capacidade de espessura de corte. Por exemplo, na Fig. 4, o corte de aço inoxidável com 70 mm de espessura usando nitrogênio a 30 kW e aço carbono com 230 mm de espessura usando ar a 40 kW é demonstrado no modo de corte por pulso.
Fig. 5 Corte em velocidade total no modo contínuo
(a) O laser YLS IPG 40kW é usado para cortar aço carbono de 28 mm de espessura através do ar a uma velocidade de 4,5 m/min (177 ipm).
(b) O laser YLS IPG 40kW é usado para cortar a ar aço inoxidável de 40 mm de espessura a uma velocidade de 2,3 m/min (90 ipm).
(c) O laser YLS-ECO IPG 30kW, quando combinado com nitrogênio, é usado para cortar aço inoxidável de 3 a 25 mm de espessura perfis de aço.
(d) Corte aço carbono de 30 mm de espessura com 15 kW de potência e oxigênio.
No modo de corte de velocidade total de onda contínua (CW), um ar livre de escória de 20 kW é usado para cortar aço carbono de 20 mm de espessura, um ar livre de escória de 40 kW é usado para cortar aço carbono de 30 mm de espessura e um ar livre de escória de 40 kW é usado para cortar aço carbono de 40 mm de espessura (veja as Figuras 2 e 5a na seção anterior).
Quando corte de aço inoxidávelComo é mais fácil obter um efeito livre de escória, a espessura limite de corte é mais espessa do que a do aço carbono (consulte a Figura 5b e a Figura 5c).
No caso do corte contínuo com nitrogênio e ar, um corte sem escória e uma boa superfície de corte só podem ser obtidos dentro de uma determinada espessura com uma determinada potência. Se exceder uma determinada espessura, o corte por pulso (que é mais lento do que o corte contínuo) deve ser usado para obter uma qualidade aceitável; caso contrário, a potência do laser deve ser aumentada.
Em geral, uma velocidade de corte inferior a 2 m/min significa que a potência do laser no modo contínuo é insuficiente para obter a melhor qualidade de corte.
Para o corte com oxigênio do aço carbono, partindo do princípio de que a superfície de corte é lisa, o aumento da potência aumentará a espessura limite de corte. Por exemplo, a espessura limite de corte de 4 kW é de cerca de 6 a 8 mm, enquanto a espessura limite de corte de 15 kW é de 30 mm.
A Fig. 5d mostra uma amostra de aço carbono de 30 mm de espessura cortada com 15 kW.
A utilização da potência de pico de um laser de potência ultra-alta no modo de pulso pode perfurar rapidamente metais espessos com o mínimo de respingos.
O tempo de perfuração do aço inoxidável de 16 mm é significativamente reduzido de mais de 1 segundo a 6 kW para 0,5 segundo a 10 kW e 0,1 segundo a 20 kW.
Em aplicações práticas, um tempo de perfuração menor ou igual a 0,1 segundo é geralmente considerado "instantâneo".
A potência de pico mais alta aumenta a relação entre a profundidade e a largura da poça de fusão, permitindo uma ponte mais rápida de materiais mais espessos com menos fusão transversal.
A redução da fusão transversal também minimiza os respingos na superfície superior.
Nos últimos seis anos, vários desenvolvimentos tecnológicos contribuíram para melhorar o desempenho do corte a laser. Esses desenvolvimentos incluem:
Embora as necessidades de vários setores sejam diferentes, todas as tecnologias capacitadoras são usadas em áreas específicas. No entanto, o corte a laser de potência ultra-alta é uma tendência tecnológica líder que promove a melhoria do desempenho do corte a laser.
Isso pode ser verificado pelo uso generalizado de lasers de potência ultra-alta em máquinas globais de corte a laser. Com a maior exposição aos lasers de potência ultra-alta, os engenheiros de aplicação descobriram vários benefícios de produção e qualidade, que excedem os da tecnologia de habilitação de potência de laser mais baixa com menos complexidade.
Os lasers de potência ultra-alta têm vantagens significativas em termos de espessura de corte, qualidade e custo-benefício no corte de chapas grossas, especialmente em níveis de potência de 15 kW e superiores. Eles são mais competitivos do que as máquinas de corte a plasma de alta corrente.
Testes de comparação mostraram que, para aço inoxidável de até 50 mm de espessura, o laser de fibra de 20 kW é 1,5 a 2,5 vezes mais rápido do que o cortador de plasma de alta intensidade de corrente (300 A).
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Para aço carbono, o corte de até 15 mm de espessura é duas vezes mais rápido, conforme demonstrado por evidências empíricas.
De acordo com os cálculos, o custo total de corte por metro de aço-carbono de 15 mm de espessura usando um laser de 20 kW é cerca de duas vezes menor do que quando se usa plasma.
Em comparação com o plasma de alta potência, o uso de um laser de 40 kW para cortar seções de aço inoxidável com espessura entre 12 e 50 mm é de três a quatro vezes mais rápido, enquanto o corte de seções de aço de baixo carbono com espessura entre 12 e 30 mm é de três a cinco vezes mais rápido, resultando em diferenças de produtividade significativamente maiores.
Em comparação com os lasers de baixa potência e outros processos de corte, como o corte a plasma, a principal força motriz por trás dos lasers de potência ultra-alta é o aumento da produtividade e a redução dos custos de corte de cada componente.
O uso de lasers de potência ultra-alta resulta em ganhos de velocidade que proporcionam aos fabricantes economias de escala. Por exemplo, o aumento da potência de 30kW para 40kW resulta em um aumento de 33% na velocidade e de 66% na velocidade de corte.
Os lasers de potência ultra-alta podem obter um corte a ar rápido e de alta qualidade do aço carbono, o que é mais vantajoso do que o lento corte com oxigênio e o caro corte com nitrogênio. Em nossos testes, o uso de ar de 40 kW para cortar aço carbono de até 50 mm de espessura foi de três a quatro vezes mais rápido do que o uso de plasma de alta potência.
O laser de potência ultra-alta torna o corte a laser mais competitivo em muitos outros aspectos. Ele pode aumentar a espessura e a qualidade do corte (materiais com até 230 mm de espessura podem ser cortados), reduzir ou eliminar os custos de processamento subsequentes (o que pode minimizar a suspensão de escória), reduzir o espaço físico e os custos das instalações, reduzir os requisitos de mão de obra e melhorar a qualidade e a produção do piercing.
Com a melhoria contínua da potência do laser de ultra-alta potência e da eficiência energética, essas vantagens se tornarão mais evidentes, aumentando sua capacidade de se adaptar rápida e economicamente às aplicações de corte em vários setores.
Como fundador do MachineMFG, dediquei mais de uma década de minha carreira ao setor de metalurgia. Minha vasta experiência permitiu que eu me tornasse um especialista nas áreas de fabricação de chapas metálicas, usinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou sempre pensando, lendo e escrevendo sobre esses assuntos, esforçando-me constantemente para permanecer na vanguarda do meu campo. Permita que meu conhecimento e experiência sejam um trunfo para sua empresa.
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