1. Riscos de fumaça e poeira no corte a laser e mecanismo de exaustão de fumaça
Nos últimos anos, a indústria de corte a laser desenvolveu-se rapidamente e o poder de vários lasers tornou-se cada vez maior.
Com a melhoria contínua da espessura e velocidade do corte a laser, a quantidade de fumaça e poeira gerada por unidade de tempo está aumentando.
Se o sistema original de remoção de poeira da máquina de corte a laser ainda for usado, ele não será capaz de atender às necessidades normais de remoção de poeira e não poderá atender às regulamentações correspondentes do governo e da indústria.
A fim de melhorar a qualidade do produto e atender às necessidades do cliente, este artigo se concentra na pesquisa e otimização do sistema de remoção de poeira para máquinas de corte a laser de 6 kW e superiores.
1.1 Perigos do corte a laser de fumaça e poeira
A fumaça e a poeira liberadas durante o corte a laser de chapas metálicas podem ser divididas em poeira e aerossóis, dos quais 97% têm um diâmetro inferior a 5,7 μm, o que significa que a maior parte da fumaça e da poeira pode ser inalada pelo corpo humano.
Dependendo do material de corte e da cena, outras substâncias nocivas também podem ser produzidas.
Por exemplo, se a superfície da folha contiver óleo, produzirá gases compostos de hidrocarbonetos muito complexos; se a superfície da folha possuir película, o corte liberará compostos lipídicos e olefínicos, acompanhados de odor perceptível.
Se a fumaça e a poeira produzidas durante o corte a laser não forem capturadas e tratadas de maneira eficaz, isso prejudicará a saúde humana e o meio ambiente.
1.2 Mecanismo de exaustão de fumaça de corte a laser
Durante o corte a laser de chapas metálicas, uma pressão negativa é formada abaixo da superfície de corte pela extração de ar através de um ventilador, e a fumaça e a poeira produzidas pelo corte são sugadas.
Atualmente, a indústria geralmente utiliza um método de múltiplas partições. A área de corte efetiva é dividida em múltiplas zonas e o amortecedor correspondente é aberto de acordo com a posição de corte real para obter um melhor efeito de remoção de poeira. Isso é mostrado na Figura 1.
De acordo com a fórmula, o volume de ar necessário para o coletor de pó é:
eup=K×3600(5H2+Fx)Vx (m3/h) (1)
Onde K é o coeficiente da margem de seleção, que é ≥1,2; H é a distância entre a porta de sucção real e a posição de corte, em metros; Fx é a área de divisória da tremonha de pó, em metros quadrados; Vx é a velocidade do vento na posição de corte, em metros por segundo.
A partir da Equação (1), pode-se observar que para máquinas de corte a laser equipadas com coletores de pó do mesmo volume de ar, quanto menor a área de partição da tremonha e quanto mais próxima a porta de sucção estiver da distância de corte, maior será a velocidade do vento de remoção de pó. na superfície da mesa de trabalho e melhor será o efeito de remoção de poeira.
Através de vários experimentos em diferentes chapas metálicas e parâmetros de corte, a velocidade ideal do vento para remoção de poeira da superfície da placa de corte está entre 0,8 ~ 1,2 m/s. Neste caso, o efeito de remoção de poeira é bom e a taxa de sucesso na captura de fumaça e poeira é superior a 95%. Não há fumo óbvio visto a olho nu ou aos pulmões. Se a velocidade do vento de remoção de poeira da superfície da placa de corte for inferior a 0,5 m / s, o efeito de remoção de poeira será ruim e haverá fumaça óbvia ao cortar placas de aço carbono. Se a velocidade do vento de remoção de poeira da superfície da placa de corte for superior a 1,2 m/s, o efeito de remoção de poeira é bom, mas também sugará mais faíscas ou escória, causando danos ao equipamento de remoção de poeira ou até mesmo causando incêndios.
2. Otimização estrutural do sistema de remoção de poeira
2.1 Reduzindo a área de partição do reservatório de pó
A partir da fórmula acima, é óbvio que uma maneira de aumentar a velocidade do vento de remoção de pó na posição de corte sem aumentar a potência do coletor de pó é reduzir a área de partição do reservatório de pó.
Nessa perspectiva, realizamos testes e experimentos práticos comparativos. Mudamos a máquina com o mesmo escopo de corte de 5 partições para 6 partições. Após a melhoria, o comprimento da seção permaneceu inalterado em 2,07m, enquanto a largura da seção foi reduzida de 0,85m para 0,69m, reduzindo a área de divisória em 19%, conforme mostrado na Figura 2.
(a) Antes da melhoria (b) Depois da melhoria
De acordo com o teste, nas mesmas condições de volume de ar, temperatura e posição de medição, a velocidade média do vento na superfície da mesa de trabalho antes da melhoria foi de 0,63 m/s, e após a melhoria, a velocidade média do vento aumentou para 0,75 m/s, o que representa um aumento de cerca de 19%.
Portanto, reduzir a área de partição pode aumentar diretamente a velocidade do vento Vx quando o volume de ar Lp continua o mesmo.
Porém, aumentar a divisória de remoção de poeira também trará algumas desvantagens, como aumento no número de comportas de ar, o que causará mais vazamentos de ar; um aumento no número de cilindros utilizados para controlar as comportas de ar pode aumentar o custo e a possibilidade de falhas.
Portanto, é necessário fazer escolhas baseadas no real posicionamento do produto.
2.2 Reduzindo a distância entre a porta de sucção e a superfície de corte
A partir da fórmula acima, é óbvio que a segunda maneira de aumentar a velocidade do vento de remoção de poeira na posição de corte sem aumentar a potência do coletor de pó é reduzir a distância entre a porta de sucção e a superfície de corte.
Em relação às máquinas de corte a laser, aumentar a altura do duto de ar significa encurtar a distância entre a porta de sucção da comporta de ar e a mesa de trabalho.
Também conduzimos experimentos de teste comparativos sob as mesmas condições de partição de remoção de poeira e ventilador de remoção de poeira. Os dados correspondentes do teste de velocidade média real para três vezes o aumento da altura do duto de ar são mostrados na Tabela 1.
Como pode ser visto na tabela, quando o valor H diminui proporcionalmente, o Vx aumenta continuamente. Porém, devido às limitações estruturais da máquina de corte a laser, existem limitações para reduzir o valor H.
Além disso, à medida que a altura do duto de ar continua aumentando, é necessário considerar um esquema de proteção para evitar que o laser danifique o duto de ar. O duto de ar deve ser colocado fora da área de corte, principalmente para máquinas de alta potência.
Tabela 1 – Registro de dados do teste de velocidade do vento
| Fundações | Opção 1 | opção 2 | Opção 3 | |
| Superfície da mesa de trabalho velocidade média real do vento Vx (EM-1) | 0,52 | 0,63 | 0,74 | 0,84 |
| Distância da superfície da mesa de trabalho até a porta de sucção H/m | 0,60 | 0,50 | 0,40 | 0h30 |
| Teste o volume de ar do ventilador Lp (m3/h-3) | 6.000 | 6.000 | 6.000 | 6.000 |
2.3 Reduzindo a perda de pressão do sistema de remoção de poeira
De acordo com o gráfico Moody, o coeficiente de amortecimento λ ao longo do caminho pode ser determinado pelo número de Reynolds Re e pela razão ε/d (onde ε é a rugosidade absoluta da parede do duto de ar e d é o diâmetro equivalente do tubo) .
Quanto maior for λ, maior será a perda de pressão ao longo do caminho.
Combinando com o fluxo real de ar no duto de ar, pode-se observar que quanto maior o diâmetro equivalente d do duto de ar, menor será λ e menor será a área de superfície s (com comprimento constante e circunferência seccional c) , menor será a perda por atrito.
Portanto, em termos de redução da perda de pressão ao longo do caminho, os tubos redondos devem ser preferidos primeiro, seguidos pelos tubos quadrados e depois pelos tubos retangulares.
Conforme mostrado na Tabela 2, sob a mesma área de seção transversal, o diâmetro equivalente do tubo redondo é o maior e a área superficial dentro do tubo é a menor.
Tabela 2 Diâmetro equivalente e circunferência seccional de tubo redondo, tubo quadrado e tubo retangular.
| Gasodutos | Tubo circular (Φ,114) |
Tubo quadrado (100×100） |
Tubo retangular (150×67） |
| Diâmetro equivalente d | 114 | 100 | 92 |
| Circunferência seccional c | 354 | 400 | 434 |
Devido às restrições na estrutura das máquinas de corte a laser, é difícil utilizar tubos circulares para estruturas de dutos de ar.
Geralmente, tubos quadrados e tubos retangulares são usados para o duto de ar principal. Por exemplo, são utilizados um tubo retangular com o tamanho de 250×150 e um tubo quadrado com o tamanho de 200×200.
O diâmetro equivalente do tubo retangular é 0,19m e o do tubo quadrado é 0,2m. Testes mostraram que a um volume de ar constante de 5000m3/h e ao comprimento do duto de ar, a perda de pressão unitária do tubo retangular é de 34,86Pa/m e a do tubo quadrado é de 26,93Pa/m, com uma redução de 23%.
A faixa recomendada para a velocidade do vento dentro do duto de ar da máquina de corte a laser é de 15-18m/s.
De acordo com a fórmula V=Q/S, se a seleção da seção do duto de ar é razoável ou não, pode ser verificado de acordo com o volume de ar do coletor de pó e a velocidade recomendada do vento dentro do duto.
Se a velocidade do vento dentro do duto for muito baixa, é provável que fumaça e poeira se acumulem dentro do duto; por outro lado, se a velocidade do vento dentro do duto for muito alta, a perda de pressão do sistema aumentará e a eficiência de remoção de poeira diminuirá.
Portanto, ao selecionar um coletor de pó, não apenas deve ser escolhido um coletor de pó que corresponda ao volume de ar, mas também deve ser considerada a perda de pressão do sistema de remoção de pó da máquina de corte a laser. A pressão do vento de entrada do coletor de pó não deve ser inferior à perda de pressão do sistema de remoção de pó da máquina de corte a laser.
É necessário selecionar a curva de desempenho correspondente do ventilador fornecido pelo fabricante (ver Figura 3) para seleção, e não fazer generalizações baseadas apenas na potência do ventilador.
3. Resumo
(1) A velocidade de atualização do sistema de remoção de poeira das máquinas domésticas de corte a laser está muito aquém da velocidade de desenvolvimento da potência do laser. Problemas de remoção de poeira serão expostos em máquinas de alta potência.
(2) O efeito de remoção de poeira das máquinas de corte a laser também está relacionado a fatores como as vedações da tremonha e o número de curvas nos dutos de ar. Portanto, mesmo com o mesmo sistema estruturado de remoção de poeira, o efeito de remoção de poeira de produtos produzidos por diferentes fabricantes de máquinas de corte a laser pode variar muito.
(3) A quantidade de fumaça e poeira gerada pelo corte a laser pode ser um problema que tem sido ignorado. A quantidade de fumaça e poeira emitida pelo corte a laser depende das características do material do próprio metal, bem como dos parâmetros de velocidade e pressão de corte durante o processamento. Definir os parâmetros de corte que minimizam as emissões de fumaça e poeira para diferentes materiais também é uma forma importante de melhorar o efeito de remoção de poeira das máquinas de corte a laser.
