O laser de fibra de ultra-alta potência pode obter corte rápido e de alta qualidade de chapas grossas, incluindo o uso de ar como gás auxiliar para cortar aço inoxidável e muitas vantagens sobre outras soluções de corte.
Nos últimos anos, lasers de fibra de ultra-alta potência (UHP) com potência variando de 10kW a 40kW foram rapidamente aplicados no mercado de corte, e espera-se que a maior potência do laser usada para aplicações de corte continue a aumentar.
Demonstraremos o efeito da aplicação de corte nesta faixa de potência e discutiremos os principais fatores que impulsionam a aplicação de lasers de fibra de ultra-alta potência: vantagens significativas de produtividade, melhor qualidade de corte e a capacidade de cortar até a espessura limite (por exemplo, como mostrado neste artigo, cortando aço inoxidável com 230 mm de espessura a uma potência de 40 kW).
Neste artigo, a potência dos lasers de ultra-alta potência é definida como lasers com potência superior a 10kW. Eles permitem novos métodos de processo para promover a expansão do corte a laser em novos mercados (por exemplo, usando ar como gás auxiliar para cortar aço inoxidável de até 50 mm de espessura a velocidades 4 vezes mais rápidas do que o corte a plasma de alta potência).
Os resultados da aplicação mostram que os lasers de potência ultra-alta estão mudando a forma como o aço inoxidável é cortado, usando tecnologia de corte a ar em vez de tecnologia de corte com nitrogênio e oxigênio para obter corte econômico, de alta qualidade e alta velocidade.
Tendência de desenvolvimento em 6 anos: A maior potência do laser usada para aplicações de corte
(a) Corte a ar de aço carbono com 28mm de espessura a 4,5m/min (177ipm) com laser IPG40 KW YLS;
(b) Corte a ar de aço inoxidável com 40 mm de espessura a 2,3 m/min (90 ipm) com laser YLS IPG40 kW;
(c) Corte com nitrogênio de perfis de aço inoxidável de 3 a 25 mm de espessura com laser YLS-ECO IPG30 kW;
(d) Corte de aço carbono com 30 mm de espessura com oxigênio na potência de 15kW.
No modo de corte de velocidade total de onda contínua (CW), 20 kW de ar sem escória é usado para cortar aço carbono com 20 mm de espessura, 40 kW de ar sem escória é usado para cortar aço carbono com 30 mm de espessura e 40 kW de ar sem escória é usado para corte aço carbono com 40 mm de espessura (veja Figura 2 e Figura 5 acima). Para cortar aço inoxidável, é mais fácil obter um efeito sem escória, portanto a espessura máxima de corte é mais espessa que a do aço carbono (ver Figura 5b e Figura 5c).
Para corte contínuo com nitrogênio e ar, apenas uma certa espessura pode atingir um corte sem escória e uma boa superfície de corte em qualquer potência. Além de uma determinada espessura, deve-se utilizar corte pulsado (velocidade menor que contínua) para obter qualidade qualificada; caso contrário, a potência do laser deverá ser aumentada.
Normalmente, uma velocidade de corte inferior a 2 m/min significa que a potência do laser é insuficiente no modo contínuo para obter a melhor qualidade de corte.
Para corte com oxigênio de aço carbono, aumentar a potência aumentará a espessura máxima de corte, garantindo ao mesmo tempo uma “superfície de corte lisa”. Por exemplo, a espessura máxima de corte com 4 kW é de cerca de 6-8 mm, enquanto a espessura máxima de corte com 15 kW é de 30 mm. A Figura 5d mostra uma amostra de aço carbono com 30 mm de espessura cortada com laser de 15 kW.
Piercing mais rápido e mais limpo
Ao usar a alta potência de pico do laser de potência ultra-alta no modo de pulso, metais espessos podem ser perfurados rapidamente com menos respingos. O tempo de perfuração do aço inoxidável de 16 mm foi bastante reduzido de >1 segundo a 6kW para 0,5 segundos a 10kW e 0,1 segundos a 20kW.
Em aplicações práticas, tempos de perfuração ≤0,1 segundos são geralmente considerados “instantâneos”. A potência de pico mais alta aumenta a relação profundidade-largura da poça de fusão, o que permite uma ponte mais rápida de espessura com menos fusão lateral. A redução na fusão lateral do material também reduz ao máximo os respingos na superfície superior.
Vantagens competitivas do corte a laser de ultra-alta potência
Nos últimos seis anos, vários desenvolvimentos tecnológicos impulsionaram a melhoria do desempenho do corte a laser, incluindo:
- Determinar o tamanho do ponto focal necessário selecionando vários colimadores ou fibras multinúcleos;
- Feixes rotativos de alta velocidade que melhoram a eficiência e a qualidade do processamento de determinados metais;
- Lasers contínuos de alta potência de pico para perfuração/corte complexo mais rápido e limpo;
- Lasers de ultra-alta potência.
Embora as necessidades de diferentes indústrias sejam diferentes e todas as tecnologias facilitadoras sejam usadas em áreas específicas, o corte a laser de potência ultra-alta é uma tendência tecnológica líder que impulsiona a melhoria do desempenho do corte a laser.
Isto é evidenciado pela ampla adoção de lasers de potência ultra-alta em máquinas de corte a laser em todo o mundo.
À medida que mais e mais engenheiros de aplicação adotam lasers de potência ultra-alta, eles entendem que os benefícios de produção e qualidade das máquinas de corte de potência ultra-alta são multifacetados e superam aqueles de tecnologias de laser de menor potência e com menos complexidade.
Os lasers de ultra-alta potência têm vantagens significativas no corte de espessura, qualidade e economia para corte de chapas grossas, especialmente em 15kW e potências superiores, tornando-os mais competitivos do que as máquinas de corte a plasma de alta corrente.
Testes comparativos mostram que para aço inoxidável de até 50 mm de espessura, um laser de fibra de 20 kW é 1,5-2,5 vezes mais rápido do que uma máquina de corte a plasma de alta corrente (300A). Para aço carbono, também mostra que a velocidade de corte para espessuras de até 15 mm é duas vezes mais rápida.
Os cálculos mostram que, para aço carbono com 15 mm de espessura, o custo total de corte por metro usando um laser de 20 kW é cerca de metade daquele usando plasma.
Devido à sua velocidade de corte mais rápida para seções de aço inoxidável de 12 a 50 mm de espessura e seções de aço de baixo carbono com 12 a 30 mm de espessura quando comparado ao corte a plasma de alta potência, o uso de um laser de 40 kW para esses materiais produz uma diferença ainda maior na produtividade.
Adotando lasers de ultra-alta potência
Em comparação com lasers de baixa potência e outros processos de corte (como corte a plasma), a principal força motriz para a adoção de lasers de potência ultra-alta para corte é maior produtividade e menores custos de corte por peça.
Os ganhos de velocidade com o uso de lasers de potência ultra-alta proporcionam economias de escala para os fabricantes; por exemplo, aumentar a potência de 30 kW para 40 kW aumenta a velocidade de corte em 66%.
Lasers de potência ultra-alta permitem corte rápido e de alta qualidade de aço carbono, o que é mais vantajoso do que o corte mais lento com oxigênio e o corte mais caro com nitrogênio. Em nossos testes, usar um corte a ar de 40 kW para cortar aço carbono com até 50 mm de espessura foi três a quatro vezes mais rápido do que o corte a plasma de alta potência.
Os lasers de potência ultra-alta tornam o corte a laser mais competitivo de muitas outras maneiras. Por exemplo, aumentando a espessura e a qualidade do corte (materiais de até 230 mm de espessura podem ser cortados), reduzindo ou eliminando custos de pós-processamento (reduzindo ao máximo a suspensão de escória), reduzindo a área ocupada e os custos de instalação, diminuindo os requisitos de mão de obra e melhorando a qualidade e o rendimento da perfuração.
À medida que a potência e a eficiência dos lasers de potência ultra-elevada continuam a melhorar, estas vantagens tornar-se-ão ainda mais aparentes – aumentando a sua capacidade de alterar rápida e economicamente as aplicações de corte em diferentes indústrias.
