I. Prefácio
Como um setor essencial da indústria de fabricação de máquinas, as máquinas de engenharia possuem múltiplas categorias, funções complexas e alta resistência estrutural.
Embora raramente tenha servido como campo de testes para várias novas tecnologias de produção, o espírito inovador do pessoal científico e tecnológico e a sua coragem para superar as dificuldades garantiram a eventual difusão de novas tecnologias no campo da produção de máquinas de engenharia. Isso inclui robôs de soldagem, automação, logística inteligente e outros.
Naturalmente, a indústria também favorece a tecnologia de processamento a laser, que é uma tecnologia de processamento de objetos verde, ecologicamente correta, eficiente e sem contato.
II. Tas características do processamento a laser
O processamento a laser teve origem na Alemanha na década de 1960 e utiliza principalmente partículas de alta energia produzidas por lasers para derreter e vaporizar a superfície da peça. Este princípio é utilizado para várias tecnologias de processamento de derivados.
Os feixes de laser oferecem alta estabilidade e anti-interferência e impõem menos restrições à peça de trabalho (como forma de processamento, tamanho e ambiente), permitindo processamento preciso e de alta qualidade da maioria dos materiais metálicos e não metálicos.
A tecnologia de processamento a laser é conhecida por sua alta precisão e especialização. Suas características e vantagens podem ser resumidas como “altas, rápidas, boas, econômicas e versáteis” da seguinte forma:
(1) Alto
O processamento a laser oferece alta precisão, eficiência de processamento, utilização de materiais e eficiência econômica.
Por exemplo, uma máquina de corte a laser com preço de US$ 50.000 pode ajudar uma empresa a recuperar o custo do equipamento e gerar lucros dentro de um ano e meio de processamento normal.
(2) Rápido
O processamento a laser apresenta uma velocidade de processamento rápida, pois o meio de energia do laser é a fonte de luz. Pode atingir velocidades de até 100m/min.
Atualmente, as máquinas de corte a laser 3G mais avançadas são 1,5 vezes mais rápidas que os equipamentos de processamento convencionais.
(3) Bom
O processamento a laser é altamente resistente a interferências e não é facilmente afetado por fatores ambientais. Isso resulta em peças de qualidade e precisão excepcionais, que podem estar no mesmo nível (nível mícron) daquelas produzidas pela usinagem de acabamento de máquinas-ferramenta comuns.
(4) Salvar
O processamento a laser é conhecido por sua eficiência de material, pois consome menos material do que outras tecnologias de processamento. Estatísticas incompletas sugerem que o processamento a laser pode economizar entre 10% a 30% de materiais.
Além disso, o processamento a laser é um processo sem contato, que requer menos consumíveis para o equipamento. Isso reduz significativamente os custos de produção.
(5) Largo
O processamento a laser é uma tecnologia versátil que pode ser aplicada a uma ampla gama de materiais, não se limitando a materiais metálicos, mas também a materiais não metálicos.
Além disso, o processamento a laser pode lidar com uma ampla gama de formas, incluindo linhas retas, curvas e padrões moldados, tornando-se uma tecnologia verdadeiramente sem barreiras.
III. Taplicação da tecnologia de processamento a laser na fabricação de máquinas de engenharia
Nos últimos anos, devido aos avanços na tecnologia e nos equipamentos de processamento a laser, ele se tornou mais prevalente em vários processos envolvidos na fabricação de produtos de máquinas de construção.
A seguir está uma visão geral da tecnologia atual usada para aplicações em máquinas de construção:
3.1 Tecnologia de processamento a laser na área de aplicações de corte de chapas metálicas
O corte a laser é um método de corte que utiliza um feixe de laser produzido a partir de um oscilador de laser. O feixe é focado através de um espelho focal para gerar energia de alta densidade, que é então direcionada para o material, fazendo com que ele derreta e evapore.
Comparado a outros métodos de corte térmico, como chama e plasma, o corte a laser pode atingir maior precisão com fendas menores devido à sua grande produção de energia por unidade de área.
O centro de blanking de uma empresa, que atende às necessidades de fabricantes de máquinas de construção como Carter, Komatsu e John Deere, bem como de empresas locais de apoio, possui mais de 100 equipamentos em seis categorias: corte a plasma fino, corte a laser de fibra, corte plano corte chanfrado, corte de linha de interseção de tubos, máquinas integradas de perfuração e corte e corte de seção de aço.
Este equipamento inclui três máquinas de corte a laser bidimensionais (consulte a Figura 1) e duas máquinas de corte a laser tridimensionais (consulte a Figura 2). A supressão a laser é usada em uma ampla variedade de peças e componentes de máquinas de construção, incluindo capôs, tanques de combustível, cabines e muito mais. Os materiais cortados variam desde placas e perfis gerais Q235A até 1000MPa de alta resistência, com espessura de 1 a 25mm. O centro tem uma capacidade anual de corte de 20.000 toneladas.
Figura 1 Máquina de corte a laser bidimensional
Figura 2 Máquina de corte a laser 3D
Atualmente, existem dois tipos principais de máquinas de corte a laser 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.
O CO2 a máquina de corte a laser é um produto anterior e sua tecnologia não é tão avançada quanto o laser de fibra. O comprimento de onda do laser de CO2 é cerca de 1/10 do laser de fibra, e a propagação é geralmente realizada em um caminho óptico isolado para protegê-lo do ar externo.
Por outro lado, o laser de fibra se propaga na fibra, proporcionando melhor passabilidade do feixe e maior energia, resultando em menor influência térmica e 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 placa.
Além do corte e blanking a laser convencional, a tecnologia de corte a laser oferece vantagens no corte de furos circulares, lacunas de processo reservadas e produção de modelos de processo. Pode ser aplicado para “cortar em vez de furar” furos em equipamentos de processo, economizando tempo durante o processo de furação, melhorando a eficiência da produção e reduzindo o custo de gabaritos de furação.
3.2 Aplicação da tecnologia de processamento a laser em soldagem
A maioria das técnicas de soldagem tradicionais usadas em máquinas de construção envolvem soldagem com proteção de gás, soldagem por arco submerso ou soldagem por arco de argônio. No entanto, estes métodos resultam frequentemente em defeitos de qualidade, tais como salpicos e distorção excessivos. Além disso, a luz e a poeira do arco de soldagem podem representar risco à saúde física e mental do operador.
Com os avanços tecnológicos, os fabricantes de produtos industriais têm trabalhado para melhorar a qualidade e a eficiência da soldagem e reduzir o trabalho manual nos processos de soldagem de máquinas de construção. Eles introduziram gradualmente conceitos da indústria automotiva, como soldagem robótica de carroceria branca, linhas de montagem e fabricação flexível.
No passado, a tecnologia de soldagem a laser não era comumente usada em produtos de máquinas de engenharia devido à potência insuficiente e às capacidades limitadas para placas de espessura média ou ultraespessa. No entanto, nos últimos anos, universidades renomadas como a Universidade Jiao Tong de Xangai e o Instituto de Tecnologia Harbin conduziram extensas pesquisas e experimentos em tecnologia de soldagem a laser de placas de espessura média. Isso levou ao desenvolvimento de soldagem por fusão profunda a laser de alta potência, soldagem de arco composto, soldagem de filete multicamadas com intervalo ultraestreito e soldagem a laser com pressão negativa a vácuo, entre outros métodos de soldagem.
A tecnologia de soldagem híbrida a arco laser foi aplicada com sucesso ao boom de guindastes para máquinas de construção. Combina duas fontes de calor com mecanismos de transmissão de energia e características físicas completamente diferentes para atuar em uma posição de soldagem unificada. Isso resulta em maior profundidade de solda, maior capacidade de ponte de folga e maior eficiência de soldagem, criando um efeito 1 +1>2.
Por exemplo, o material do braço de alcance de um caminhão guindaste é aço de alta resistência com um limite de escoamento de 960 MPa, que é soldagem composta MAG de fio duplo a laser (ver Figura 3). Em comparação com os métodos de soldagem tradicionais, esta abordagem tem forte adaptabilidade de soldagem e pode ser usada para soldagem de alta reflexão, soldagem difícil e soldagem de materiais diferentes. Também melhora a estabilidade do processo de soldagem e a formação da solda, ao mesmo tempo que elimina defeitos de soldagem para melhorar a qualidade da costura de solda, alcançando uma taxa de aprovação de inspeção de 100%. Além disso, a eficiência aumenta em 300%.
A soldagem híbrida também é mais eficiente do que a soldagem com fonte de calor única, pois pode efetivamente aumentar a profundidade de penetração em 50%, aumentar a velocidade de soldagem e garantir uma menor entrada de calor. Além disso, possui maior eficiência de enchimento e economiza mais de 30% do consumo unitário de fio.
Fig. 3 Exemplo de aplicação de soldagem MAG com composto a laser
3.3 Aaplicações da tecnologia de processamento a laser na remanufatura
Nos últimos anos, o negócio de remanufatura de máquinas de construção desenvolveu-se rapidamente. Por um lado, o país defende fortemente a produção verde, que inclui a poupança de energia e a redução do consumo.
Por outro lado, o desempenho dos produtos refabricados é essencialmente comparável ao dos produtos novos, mas custa cerca de dois terços do preço dos produtos novos. Os utilizadores estão gradualmente a reconhecer isto, e as empresas também estão dispostas a fazê-lo porque apenas 40% a 60% dos custos de produção estão envolvidos.
A remanufatura de peças envolve principalmente a substituição de peças desgastadas, vedações e reparo de desgaste em mecanismos. A tecnologia mais importante utilizada neste processo é a soldagem a laser de alta eficiência, também conhecida como revestimento a laser.
O princípio principal é usar 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 predefinida, a fim de atingir o objetivo de reparar uniformemente peças desgastadas.
Este processo também pertence a um tipo de tecnologia de fabricação de aumento de material, fornecendo soluções de fabricação viáveis e de alta qualidade para realizar customização diferenciada de produtos.
O revestimento a laser possui alta flexibilidade, área de superfície opcional, materiais opcionais e até desempenho opcional. Por exemplo, quando o cilindro da mola da esteira de uma escavadeira de alta potência se desgasta durante o uso, a remanufatura pode adotar 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 superficial é qualificada, o gradiente de dureza da camada na camada de revestimento é razoável e a estrutura metalográfica é boa. Isso pode aumentar a vida útil do cilindro da mola do trator de alta potência em 300%.
O revestimento a laser agora não é usado apenas para remanufatura, mas também substitui o processo original de cromagem e tratamento térmico de pré-indução em novos produtos. Isso aumenta muito a competitividade do produto na indústria.
Fig. 4 Aumento a laser do cilindro de mola para tratores de alta potência
3.4 Aplicação da tecnologia de processamento a laser na área de gestão da qualidade
O sistema de gestão da qualidade ISO 9000 exige monitoramento de processos de peças e componentes, e sua qualidade deve ser rastreável. Para rastrear eficazmente a qualidade e o uso de peças e componentes, os fabricantes de máquinas de construção precisam de identificação permanente de peças e acessórios de fabricação própria.
Essa identificação inclui informações básicas como nome do produto, número do material, número do desenho, fabricante, data de produção e código bidimensional.
A tecnologia de marcação tradicional utiliza o movimento mecânico contínuo do cilindro para impactar o objeto, deixando um rastro de movimento na superfície do sinal. No entanto, este método tem desvantagens como grande ruído, escrita borrada e deformação do sinal.
A tecnologia de marcação a laser é um método de processamento sem contato que utiliza o feixe emitido pelo laser para derreter instantaneamente o material na superfície da peça de trabalho. O trajeto do laser na superfície do material é controlado para formar um método de marcação gráfica, conforme mostra a Figura 5.
Comparado com os métodos tradicionais, apresenta as seguintes vantagens:
- É mais rápido, com velocidade mais que o dobro dos métodos tradicionais.
- Ele produz fontes de alta qualidade, caligrafia clara e pode imprimir padrões, símbolos e letras complexos que são incomparáveis à marcação tradicional.
- É ecologicamente correto e livre de poluição, pois é um método de processamento sem contato. Pode ser combinado com um sistema de software CNC para obter marcação automática.
a) Marcação pneumática
b) Marcação a laser
Fig.5 Exemplo de comparação de aplicações de codificação de sinalização
3.5 Conclusão
Conforme demonstrado pelos exemplos acima, a tecnologia de processamento a laser tem sido continuamente utilizada em várias etapas do processo na indústria de fabricação de máquinas de engenharia. A tecnologia de limpeza a laser está ganhando atenção particularmente nos campos aeroespacial, automotivo, de máquinas de construção e outros.
Este processo é capaz de remover tintas, limpar moldes e eliminar camadas e revestimentos de oxidação antes da soldagem. Opera a uma velocidade mais rápida e produz menos resíduos, mas é menos utilizado na atual indústria de máquinas de construção.
A maioria das empresas de máquinas de construção incorporou a tecnologia de processamento a laser mencionada acima em seus próprios padrões de processos corporativos para melhorar a qualidade e a eficiência de seus produtos.
À medida que a tecnologia de processamento a laser se torna mais localizada, as pequenas e médias empresas também estão considerando a compra de equipamentos a laser para reduzir os custos de mão de obra e melhorar a qualidade do produto.
No entanto, em comparação com as aplicações padronizadas maduras no exterior, os processadores nacionais ainda têm um longo caminho a percorrer.
4. Tendência de desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser
A tecnologia de processamento a laser é um sistema complexo que combina vários campos, como mecânico, elétrico, controle numérico, óptico e hidráulico.
Os requisitos técnicos para as empresas entrarem neste campo são relativamente elevados, razão pela qual países desenvolvidos como o Reino Unido, a Alemanha e os Estados Unidos têm liderado a direção de desenvolvimento da indústria de processamento a laser.
Embora a China tenha entrado neste campo relativamente tarde, com a implementação contínua da estratégia nacional “Made in China 2025”, os fabricantes chineses de equipamentos a laser e instituições de pesquisa científica têm trabalhado arduamente, e estrelas emergentes como o Han's Laser reduziram a lacuna em tecnologia com equipamento laser estrangeiro.
Além disso, o desenvolvimento da tecnologia de processamento a laser é um processo demorado e desafiador que requer os esforços de todos os aspectos da sociedade.
Acredito que o futuro da tecnologia de processamento a laser se concentrará nas seguintes áreas de desenvolvimento.
(1) Miniaturização a laser
Como componente fundamental da tecnologia de processamento a laser, o tamanho do laser determina o tamanho de toda a máquina.
Nos estágios iniciais de desenvolvimento, o tamanho dos lasers era relativamente grande e exigia uma quantidade significativa de espaço devido às limitações da microeletrônica e da tecnologia óptica.
No entanto, com o progresso contínuo e o desenvolvimento de novas tecnologias de laser, como tecnologia de fibra óptica e tecnologia UV, foram desenvolvidos lasers menores com alta eficiência de conversão, boa estabilidade de trabalho e boa qualidade de feixe. Este avanço fornece uma base sólida para a miniaturização de equipamentos a laser.
(2) Mprocessamento multifuncional
Para atender às demandas do mercado, os fabricantes de equipamentos a laser não estão mais focados apenas em funções únicas de processamento a laser. Em vez disso, estão desenvolvendo equipamentos integrados que podem executar múltiplas funções, como corte, soldagem, tratamento térmico e pulverização. Este equipamento multifuncional maximiza o valor para os clientes.
(3) Inteligência de Equipamentos
Com o surgimento da tecnologia da Internet, a inteligência do equipamento tornou-se outra tendência importante na tecnologia de processamento a laser.
Em uma fábrica inteligente, vários planos de produção e dados de processamento de materiais serão carregados na nuvem corporativa. Os engenheiros poderão controlar remotamente o status de operação do equipamento a partir de um escritório usando um terminal remoto. Essa abordagem permite a digitalização, automação e informatização do processo de fabricação do produto.
V. conclusão
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 modernização da indústria de máquinas de construção devido às suas vantagens incomparáveis.
Após a adoção generalizada de tecnologias de informação, como a Internet+ e o 5G, o processamento e a produção a laser também estão a migrar para a produção inteligente.
Dado o incentivo do governo às empresas para buscarem a inovação tecnológica, os fabricantes nacionais de laser continuarão a aumentar o investimento em P&D para fornecer ao mercado equipamentos a laser com desempenho de custo mais elevado.
Este impulso alimentará a inovação de campos emergentes e processos de fabricação tradicionais, ao mesmo tempo que fornecerá suporte técnico para a aplicação mais ampla da tecnologia de processamento a laser na indústria de fabricação de máquinas de construção no futuro.
