Corte de placa de acero dulce de 50 mm de espesor con un láser Nd: YAG

Abstracto

Presentamos los resultados de los experimentos que investigan la viabilidad de cortar una placa de acero dulce gruesa (> 15 mm) con un láser Nd: YAG acoplado con fibra. Los experimentos se realizaron con un láser Nd: YAG de onda continua de 2,5 kW suministrado a la pieza de trabajo a través de una fibra óptica con núcleo de sílice de 0,6 mm de diámetro. Las muestras de acero dulce varían en espesor de 10 a 50 mm. Se presentan y discuten los efectos de una variedad de parámetros operativos, como el punto focal y la posición de la boquilla de corte en relación con la superficie del acero, la presión del gas auxiliar, la potencia y la velocidad del proceso, sobre la calidad de la superficie de corte. Los resultados hasta la fecha muestran que es posible cortar chapas de acero dulce de hasta 50 mm de espesor a velocidades de hasta 200 mm / min con tan solo 500 W de potencia láser Nd: YAG. La superficie de corte es lisa y no hay escoria. Estos resultados son prometedores para la aplicación de la tecnología láser Nd: YAG para el corte de chapa de acero gruesa.

1. Introducción

El corte por láser representa aproximadamente una cuarta parte de la industria de procesamiento de materiales por láser [1]. En más de 30 años desde que se produjo el primer corte láser asistido por gas [2] poco ha cambiado en el método de corte láser. Para cortar aceros suaves, un rayo láser se enfoca en o cerca de la superficie de la pieza de trabajo y está rodeado por una corriente coaxial más amplia de gas auxiliar de oxígeno. Normalmente, las potencias de láser de hasta 3 kW se utilizan para cortar aceros dulces con un espesor de 12 a 15 mm con placas más gruesas cortadas principalmente con sistemas de plasma u oxicombustible. Aunque es posible cortar metales con el láser de CO2 de hasta 40 mm de espesor, hay una disminución significativa en la calidad y reproducibilidad del corte [3].

Una solución para cortar placas de acero dulce más gruesas es aumentar la potencia del láser. Si bien este enfoque tiene varias ventajas, también existen desafíos importantes. A potencias superiores (3,5 kW y superiores), la calidad del haz se vuelve inestable, la vida útil de los componentes ópticos se reduce, los costes de funcionamiento y de equipo son elevados y la precisión de corte se deteriora. Se demostró en [4] que para una determinada calidad de acabado superficial, aunque el grosor de la ranura permanece aproximadamente constante, la velocidad de corte no se reduce proporcionalmente, lo que indica una reducción en la eficiencia de corte al aumentar el grosor del material. La reducción en la eficiencia de corte a medida que el material se vuelve más grueso se atribuye a una reducción en la capacidad del gas auxiliar para cortar la masa fundida. Con el corte de materiales más gruesos, la presión debe aumentar para permitir la eliminación del material fundido. Sin embargo, cuando se usa gas auxiliar de oxígeno, la naturaleza exotérmica de la reacción significa que la presión de oxígeno debe reducirse al aumentar el espesor para detener una reacción exagerada que tiene lugar dentro de la ranura. El control estricto de la presión del oxígeno es esencial para evitar quemaduras incontrolables lejos del área calentada. Esto representa una contradicción en los requisitos para el corte exitoso de acero dulce grueso. Limita el grosor máximo de corte, a pesar de la capacidad de ampliar el rendimiento de corte aumentando la potencia del láser. Para superar esta limitación y ampliar la capacidad de espesor del corte por fusión reactiva, se requieren métodos alternativos y novedosos.

Se han desarrollado numerosas técnicas para superar la reducción en el rendimiento de corte a medida que aumenta el espesor del acero dulce. Se incluyen en ellos: corte por llama láser [5], lentes de enfoque dual [6], corte por haz con óptica adaptativa [7], corte por láser usando una boquilla coaxial (anular) [8], corte por láser de CO2 de haz doble [ 9], rayo láser giratorio [13, 14] y corte con oxígeno asistido por láser (Lasox ©) [10 - 12].

Hemos informado anteriormente [14] de cortar placas de acero dulce más gruesas utilizando el rayo láser giratorio Nd: YAG. Aquí se informan los resultados de cortar una placa gruesa de acero dulce (> 15 mm) utilizando un láser Nd: YAG suministrado por fibra mediante la oscilación del rayo láser (un método análogo al giro del rayo) y mediante el método de corte por láser dominado por oxígeno como el del corte Lasox [10, 11, 12]. Las pruebas de corte por láser Nd: YAG dominadas por oxígeno se llevaron a cabo utilizando primero presiones de gas asistidas por oxígeno bajas y luego altas.

2. Oscilación del rayo láser

2.1 Detalles experimentales

La oscilación del rayo láser se produjo mediante la rotación parcial (oscilación) de una ventana óptica en un ángulo como se muestra en la Figura 1 (a). Esto resultó en un desplazamiento máximo del punto focal de 0,45 mm a una frecuencia máxima de 20 Hz. En la Figura 1 (b) se muestra una pista resultante, aquí con una longitud de onda exagerada para mostrar un movimiento oscilatorio. Fue posible variar la amplitud de oscilación de la ventana para efectuar cambios en el ancho de corte con el fin de estudiar el efecto de ensanchar el corte en el proceso de corte.

2.2 Corte de aceros utilizando un enfoque dominado por oxígeno asistido por láser

El método de corte dominado por oxígeno asistido por láser se implementó en placas de acero dulce AS3678 de 16 a 50 mm de espesor. Las presiones del gas asistido por oxígeno se mantuvieron por debajo de 120 kPa (corte de oxígeno a baja presión –LoPOx) o presiones altas (corte por oxígeno a alta presión - HiPOx). Los resultados del corte se registraron en función de la calidad del corte (estriado del corte, forma de la sangría, escoria excesiva) y velocidad de corte.

3. Resultados

3.1 Oscilación del rayo láser.

Al oscilar la viga en la pieza de trabajo, el espesor máximo de corte se incrementó de 12 mm, encontrado con el corte convencional, a 16 mm. Un gráfico de velocidad de corte máxima para varios espesores y potencias láser, que se ve en la Figura 2, indica que aunque el grosor de corte se mejoró con el rayo oscilante, la velocidad de corte es similar a la del corte convencional (CW). Esto indica que el corte El proceso que ocurre dentro de la ranura permanece sin cambios durante el corte de la viga oscilante. También se lograron velocidades de corte similares con la viga giratoria [14].

El mayor espesor de corte se puede atribuir al aumento del ancho de corte. Esto se demuestra al variar la amplitud de la oscilación como se muestra en la Figura 3. Aquí, como la amplitud de oscilación se reduce secuencialmente desde una amplitud máxima de 0.45 mm a cero, el ancho de la sangría se reduce, lo que corresponde a una reducción en la capacidad de despejar el derretimiento. Esto demuestra claramente la necesidad de tener un ancho de corte adecuado para permitir que la escoria se despeje. Este punto de vista también es expresado por otros [12], donde se sugiere que tanto la dinámica de fluidos como la termodinámica están restringidas por cortes estrechos.

3.2 Corte de aceros utilizando un enfoque dominado por oxígeno asistido por láser

3.2.1 Corte dominado por oxígeno a baja presión - LoPOx

El proceso de corte LoPOx utiliza el mismo rayo láser de mayor diámetro y un chorro de oxígeno estrecho e imponente en la parte superior de la pieza de trabajo como se ve en el proceso Lasox, sin embargo, con presiones de gas auxiliar por debajo de 120 kPa. Las superficies de corte que se muestran en la Figura 4 utilizando el proceso LoPOx demuestran que la potencia del láser de baja incidencia no obstaculiza el corte con láser siempre que pueda tener lugar el inicio primario y continuo del corte. De hecho, a medida que aumenta la velocidad de corte, la potencia del láser incidente puede aportar demasiada energía y, por lo tanto, provocar una estriación excesiva. Esto se demuestra en la figura al observar la velocidad de corte de 450 mm / min, donde se generó una mejor superficie con 533 W de potencia del láser incidente que la que se logró a 1420

W. Aquí, la velocidad de reacción exotérmica está determinada por la velocidad de corte. La potencia del láser incidente solo es necesaria para calentar la superficie superior a más de 1000C [11] e iniciar el proceso de fusión reactiva. La potencia del láser incidente excesiva reduce la calidad del corte. Esto demuestra que los problemas de la interacción oxígeno-hierro, no la potencia del láser incidente, ahora gobiernan principalmente la calidad del corte. Por lo tanto, este es un proceso de corte por láser dominado por oxígeno.

En la Figura 4, a medida que se reduce la potencia para cada velocidad de corte, las primeras indicaciones de potencia mínima incidente es el inicio deficiente del corte, como se ve en el extremo derecho. Esto demuestra que los requisitos de energía al inicio del corte son más altos que los del proceso de corte en curso y la energía requerida para el establecimiento rápido de un proceso de corte constante y no la energía para el proceso en curso es el criterio esencial.

Cuando LoPOx corta utilizando un diámetro de boquilla coaxial más pequeño para el mismo material de espesor, se obtienen las mismas velocidades de corte pero con un ancho de corte más estrecho y, en consecuencia, un flujo de oxígeno reducido. Sin embargo, los cortes de alta calidad no se pudieron lograr a las potencias de láser más bajas con el diámetro de boquilla más grande utilizado en la Figura 4. Esto es a pesar de un punto de láser más intenso como resultado de pasar a través de una boquilla de diámetro más pequeño. Esto demuestra que el requisito de un corte lo suficientemente ancho para permitir que la escoria se aclare se aplica igualmente al proceso de corte dominado por oxígeno.

Los lados del corte se estrechan más que los que se encuentran en el corte convencional (dominado por láser). La naturaleza dominada por el oxígeno del proceso de corte significa que el corte está influenciado por la forma del imponente chorro de oxígeno, siendo la parte superior del corte del mismo ancho que la boquilla coaxial utilizada.

La holgura entre la boquilla y la pieza de trabajo se varió con los resultados típicos de esta variación que se muestran en la Figura 5. Para varios diámetros de boquilla, la calidad de corte se redujo significativamente con holguras superiores al 25% del diámetro de la boquilla. Los aumentos en la holgura entre la boquilla y la pieza de trabajo expusieron una mayor parte del flujo de la boquilla a los gases atmosféricos ambientales antes de ingresar a la ranura [8]. El cambio en el aclaramiento se realizó sin cambios correspondientes en el diámetro del punto láser con resultados similares. Esto demuestra además que los cambios para ayudar al gas y no a la intensidad de la potencia del láser incidente fue el factor que afectó la calidad del corte con láser en el rango probado. La figura 5 también muestra el efecto de una holgura demasiado pequeña (0,1 mm) en la que el haz convergente aún no supera el diámetro del chorro de gas, por lo que no permite que funcione el proceso de corte por láser dominado por oxígeno.

Se logró un grosor de corte máximo de 32 mm utilizando el corte Nd: YAG LoPOx. Cortar más allá de estos espesores con los diámetros de boquilla utilizados provocó la formación de escoria excesiva dentro de la ranura y una pérdida de perpendicularidad del corte. Esto demuestra además la relación entre el ancho de corte y el grosor de corte cuando se utilizan presiones de corte bajas (convencionales).

3.2.2 Corte por láser Nd: YAG dominado por oxígeno a alta presión - HiPOx

Usando presiones de suministro mucho más altas y boquillas de diámetro más pequeño, se encontró que era posible cortar aceros más gruesos que los obtenidos previamente por el proceso LoPOx. Se demostró que la capacidad de corte es de entre 32 y 50 mm de espesor utilizando placa de acero AS 3679. Las velocidades de corte típicas con respecto al espesor del material y la potencia del láser se muestran en la Figura

6. La figura muestra una continuación de los procesos de corte de la región de baja presión utilizada para materiales más delgados.

El efecto de utilizar altas presiones de suministro significa que el flujo del gas es complejo y puede dar lugar a características de choque interno. La evidencia de la interacción de las estructuras de choque durante el corte puede verse como \"crestas \" o marcas menores en la superficie de corte y verse como líneas perpendiculares a la estría. Además, el desplazamiento de estas crestas con holgura entre la boquilla y la pieza de trabajo resulta del refuerzo o anulación de los choques internos del gas auxiliar y del choque característico que aparece al comienzo de la ranura en forma de \"X \" [15]. El trabajo [16, 17] también indica una interacción compleja y a veces oscilatoria de los choques con las paredes de la ranura. La evidencia de la naturaleza oscilatoria del corte está en el constante \"zumbido \" que se puede escuchar en algunas condiciones de corte.

Utilizando una boquilla coaxial de 1,5 mm de diámetro, se demostró que la capacidad de corte era satisfactoria para placas de 32 y 40 mm con resultados de corte de placas de 40 mm que se muestran en la Figura 7. La holgura de la boquilla-pieza de trabajo aumentó significativamente con las altas presiones de gas de asistencia y la La forma de la entalladura era mucho menos cónica que la observada en LoPOx como resultado de la corriente de gas de alta velocidad menos divergente. Estos cortes se pueden ver en la Figura 8.

El corte de perfiles utilizando la técnica Nd: YAG LoPOx de fibra es factible con los ejemplos que se muestran en la Figura 9. Aquí, los aumentos de temperatura en el interior de las esquinas dan como resultado una mayor afinación en estos puntos. Esto se ve en el corte circular de la Figura 9 (a) y el socavado de las esquinas en la Figura 9 (b). El socavado de esquinas afiladas se supera mejor mediante el uso de velocidades de corte reducidas como se muestra en la figura.

El corte dominado por oxígeno a alta presión utilizando el láser Nd: YAG como el que se utiliza con el CO2 [12] también demuestra ser excelente en la perforación con menos de un segundo requerido para perforar la placa AS3679 de 32 mm. La eliminación de la escoria expulsada hacia arriba sigue siendo un problema, ya que su presencia en la superficie de la placa en la trayectoria de corte es perjudicial para la calidad del corte.

4. Discusión

A pesar de los novedosos procesos de corte por láser y del aumento del grosor del corte, el proceso de corte en sí permanece sin cambios. Esto se evidencia por la reducción en la velocidad de corte con el grosor de corte y la similitud en la velocidad de corte para cortes convencionales, de viga giratoria y de viga oscilante. En consecuencia, a pesar de los cambios de enfoque, los factores fundamentales que gobiernan el corte de chapa de acero gruesa por fusión reactiva, como las pérdidas en la conducción y la restricción de la eliminación del flujo de masa fundida debido a la viscosidad y la tensión superficial, aún permanecen.

Los anchos de corte más grandes y variables producidos por la oscilación del rayo, así como los diversos anchos de corte generados mediante el uso de corte con láser dominado por oxígeno con el láser Nd: YAG demuestran la necesidad de cortes adecuadamente anchos a medida que aumenta el grosor del corte. Sin embargo, a espesores moderados (~ 32 mm) aumentar la ranura más allá de la producida por la boquilla LoPOx más grande, se vuelve impracticable ya que el consumo de oxígeno se vuelve prohibitivo. Con este fin, el uso de HiPOx entra en juego. El uso de una corriente de gas auxiliar de alta presión y, en consecuencia, de alta velocidad permite que el oxígeno se combine menos con los gases atmosféricos y, por lo tanto, esté más disponible para la fusión reactiva. Además, proporciona fuerzas de cizallamiento significativamente mayores en la cara de la masa fundida para superar la resistencia a su separación de la ranura. Una característica adicional del proceso HiPOx son las grandes holguras obtenidas entre boquillas y piezas de trabajo. Esto asegura la fiabilidad de las boquillas de alta presión.

Los cortes dominados por oxígeno dependen solo de la potencia del láser incidente para iniciar y luego sostener el corte. Los resultados muestran que estas potencias son mucho menores que las requeridas para un corte convencional equivalente. Sin embargo, se requieren potencias más altas para el inicio de un corte continuo que las necesarias para mantener el proceso de corte general. En consecuencia, se podría usar una mayor potencia al inicio del corte solo para maximizar la eficiencia energética.

Se ha demostrado que el corte de perfiles es factible con el inconveniente de rebajar el interior de las esquinas cortadas. Esto puede superarse mediante la programación adecuada de la velocidad de corte en estas posiciones. Se muestra que la perforación de una placa gruesa es factible, pero hay problemas de que la escoria expulsada hacia arriba interfiera más tarde con la entrega del gas auxiliar durante el corte posterior. Esto podría resolverse mediante la presencia de un chorro de aire anular orientado hacia afuera que rodee la boquilla o la limpieza del operador mediante el uso de un comando de espera del CNC después de que se haya realizado inicialmente toda la perforación.

5. Conclusiones

El uso de corte por láser dominado por oxígeno junto con el uso de cortes más anchos demuestra la viabilidad de usar el láser Nd: YAG de fibra de potencia moderada para cortar chapa gruesa de acero dulce. Esto se puede hacer utilizando un suministro de baja presión para placas de acero dulce de hasta 32 mm de espesor. El suministro de gas a alta presión ha demostrado que se pueden conseguir fácilmente espesores de corte de 50 mm junto con la capacidad de perforar rápidamente el material. Hay problemas continuos de calidad de corte asociados con artefactos de impacto y también problemas relacionados con el socavado de esquinas que requieren una programación CNC cuidadosa. Para perforar con éxito se requiere la eliminación posterior de la escoria expulsada hacia arriba de la trayectoria de corte para garantizar que se mantenga la calidad de corte de la pieza de trabajo subyacente.

6. Agradecimientos

Los autores desean agradecer al CRC de Intelligent Manufacturing Systems and Technologies Limited por su financiación del proyecto Spinning Beam sin el cual la investigación y los resultados anteriores no se podrían reunir.