Imagine reduzir os seus custos de corte a laser e aumentar a eficiência com uma simples mudança. Este artigo explora a forma como a utilização de ar como gás auxiliar no corte a laser pode conseguir exatamente isso. Ficará a conhecer as vantagens do ar em relação aos gases tradicionais, como o azoto e o oxigénio, e compreenderá como este método pode melhorar o seu processo de corte. Descubra como esta alternativa económica pode transformar as suas operações, reduzir despesas e manter cortes de alta qualidade. Mergulhe para ver como o ar pode ser um divisor de águas no seu fluxo de trabalho de fabrico.
O corte a laser, uma tecnologia transformadora introduzida na década de 1960, tornou-se parte integrante de várias indústrias devido à sua precisão e eficiência sem paralelo no processamento de materiais. Este método de corte avançado simplificou significativamente os processos de produção em vários sectores.
No entanto, a adoção generalizada da tecnologia de corte a laser intensificou a concorrência no mercado, conduzindo a pressões sobre os preços e a margens de lucro reduzidas para os fabricantes de equipamento e fornecedores de serviços. Para manter a competitividade, as empresas devem concentrar-se na otimização dos seus processos de produção e no aumento da eficiência operacional global.
Uma estratégia eficaz para conseguir a redução de custos nas operações de corte a laser é a utilização de ar como gás auxiliar. Esta abordagem oferece várias vantagens em relação aos gases de assistência tradicionais, como o azoto ou o oxigénio:
Para implementar eficazmente o corte a laser assistido por ar, considere as seguintes melhores práticas:
Embora o corte assistido por ar possa não ser adequado para todas as aplicações, particularmente as que requerem cortes sem óxido ou corte de materiais altamente reflectores, pode reduzir significativamente os custos operacionais para uma vasta gama de tarefas de corte.
A implementação do corte a laser assistido por ar deve fazer parte de uma estratégia global para melhorar os processos de produção, aumentar a eficiência e concentrar-se em actividades de valor acrescentado. Esta abordagem, combinada com investimentos contínuos em investigação e desenvolvimento, pode ajudar as empresas a manter uma vantagem competitiva no mercado de corte a laser em constante evolução.
Primeiro, vamos examinar o processo de corte por laser:
O laser gerado pelo gerador de laser é focado através de uma lente e converge para formar um ponto de luz pequeno e intenso. A distância entre a lente e a placa é cuidadosamente controlada para garantir a estabilidade do ponto de laser na direção da espessura do material.
Neste ponto, a lente foca a luz num ponto com uma elevada densidade de potência, normalmente atingindo 106-109W/cm2. O material absorve a energia do ponto de luz, fazendo-o derreter instantaneamente, e o material derretido é então removido por um fluxo de gás auxiliar, completando o processo de corte.
Ao longo de todo o processo de corte, o gás auxiliar tem dois objectivos principais: fornecer a força necessária para o corte e remover o material fundido da peça de trabalho.
Neste processo, os diferentes tipos de gases têm efeitos diferentes nos materiais e nas secções:
O oxigénio, como gás auxiliar no corte a laser, tem um duplo objetivo: acelera a remoção do metal fundido e catalisa uma reação de oxidação exotérmica. Este efeito sinérgico aumenta significativamente a capacidade de corte do laser, particularmente para materiais mais espessos. A reação de oxidação gera calor adicional, aumentando efetivamente a densidade de energia na zona de corte e melhorando a eficiência global do processo.
No entanto, a utilização de oxigénio tem algumas desvantagens. A superfície de corte sofre uma oxidação considerável, o que pode exigir um pós-processamento para aplicações que exijam superfícies imaculadas. Curiosamente, o arrefecimento rápido induzido pelo jato de oxigénio cria uma zona afetada pelo calor (ZTA) localizada com maior dureza. Esta alteração metalúrgica pode ser vantajosa para determinados processos subsequentes, reduzindo potencialmente a necessidade de etapas adicionais de tratamento térmico.
(2) Azoto
O nitrogénio, um gás inerte, cria uma atmosfera protetora durante o corte a laser, protegendo eficazmente o metal fundido da oxidação. Isto resulta em superfícies de corte de alta qualidade e sem óxido, o que é crucial para materiais sensíveis à oxidação ou aplicações que exigem um acabamento superficial superior. No entanto, ao contrário do oxigénio, o azoto não tem a capacidade de contribuir com energia térmica adicional através de reacções exotérmicas, limitando a sua capacidade de corte em comparação com o oxigénio, especialmente para materiais mais espessos.
A utilização de azoto como gás auxiliar requer normalmente caudais mais elevados para conseguir uma blindagem eficaz e a ejeção do metal fundido. Este aumento do consumo, associado ao custo mais elevado do azoto em comparação com o ar ou o oxigénio, resulta em despesas operacionais elevadas. No entanto, estes custos devem ser ponderados em relação aos benefícios da melhoria da qualidade de corte e da redução dos requisitos de pós-processamento para muitas aplicações.
(3) Ar
O ar, uma opção facilmente disponível e económica, oferece uma abordagem equilibrada ao corte a laser. A sua composição de aproximadamente 78% de azoto e 21% de oxigénio proporciona uma combinação única de oxidação parcial e blindagem parcial. Isto resulta numa oxidação moderada na aresta de corte, enquanto o teor predominante de azoto atenua a oxidação excessiva e contribui para a transferência de calor por convecção.
O desempenho de corte com ar situa-se entre o do oxigénio puro e o do azoto puro. Embora possa não atingir a velocidade de corte do oxigénio para materiais espessos ou a qualidade da superfície obtida com o azoto, o ar oferece uma solução versátil e económica para uma vasta gama de aplicações. Os principais custos associados à utilização de ar são o consumo de energia do compressor de ar e a manutenção do sistema de filtragem de ar, que são geralmente inferiores às despesas incorridas com sistemas de gás puro.
A escolha entre estes gases auxiliares depende de factores como o tipo de material, a espessura, a qualidade de corte pretendida e considerações económicas. Os sistemas modernos de corte a laser permitem frequentemente a comutação dinâmica de gases, permitindo aos operadores otimizar a seleção de gases com base nos requisitos específicos do trabalho.
A figura 1 ilustra o efeito da secção de corte de 1.5 mm de espessura Aço inoxidável 304 utilizando azoto e ar como gás auxiliar. Como se pode ver na figura, quando se utiliza azoto como gás auxiliar, a secção é brilhante e luminosa, enquanto que quando se utiliza ar, a secção é amarela pálida.
Uma comparação dos custos de corte do ar e do azoto como gases auxiliares para aço inoxidável 304 com 1,5 mm de espessura é apresentada no Quadro 1. A comparação utiliza a última geração de máquinas de corte por laser de fibra equipados com geradores de laser de fibra desenvolvidos pela própria empresa.
A análise de custos revela que a utilização de ar como gás auxiliar resulta numa diminuição de 23,7% nos custos de corte por hora, em comparação com a utilização de azoto. Esta redução nos custos de corte pode ter um impacto significativo na redução dos custos globais de processamento da fábrica.
Além disso, o consumo de energia do compressor de ar é analisado da seguinte forma:
Muitas empresas utilizam atualmente compressores de ar de parafuso não variáveis. A utilização de um compressor de ar de parafuso com frequência magnética permanente pode resultar numa poupança de até 50% de eletricidade só para o compressor de ar.
Quando o ar é utilizado como gás auxiliar, o custo de corte é 36,2% inferior ao da utilização de azoto.
Quadro 1 Comparação dos custos de corte
| Item | SUS304-1.5 | SUS304-1.5 |
|---|---|---|
| Velocidade de processamento (mm/min) | 35000 | 35000 |
| Gás auxiliar | Ar | Nitrogénio |
| Pressão do ar (Mpa) | 0.8 | 0.8 |
| Caudal de gás auxiliar (NL/min) | 296.7 | 296.7 |
| Tempo de processamento por metro (seg) | 1.7 | 1.7 |
| Custo da eletricidade (Yuan/Hr) | 14.675 | 14.675 |
| Custo da eletricidade do compressor de ar (Yuan/Hr) | 12.25 | 5.25 |
| Custo do gás auxiliar (Yuan/Hr) | 0 | 15.347 |
| Subtotal (Yuan/Hr) | 26.925 | 35.272 |
| Custo da eletricidade (Yuan/m) | 0.012 | 0.012 |
| Custo da eletricidade do compressor de ar (Yuan/m) | 0.006 | 0.002 |
| Custo do gás auxiliar (Yuan/m) | 0 | 0.015 |
| Total (Yuan/m) | 0.018 | 0.029 |
Nota:
(1) A análise de custos acima mencionada foi calculada com os seguintes pressupostos:
(2) O consumo de energia do compressor de ar ao cortar com ar foi calculado para um compressor de ar de parafuso não variável com uma capacidade de 17,5 kW, uma pressão de 1,26 MPa e um caudal de 2,3 m3/min.
(3) Quando o azoto é utilizado como gás auxiliar para o corte, o compressor de ar continua a ter de fornecer gás à máquina, o que resulta em custos de eletricidade.
(a) A secção de corte quando o azoto é o gás auxiliar
(b) A secção de corte quando o ar é o gás auxiliar
(c) Comparação da secção de duas partes (azoto à esquerda e ar à direita)
Fig.1 Efeito da secção de corte quando se utiliza azoto e ar como gás auxiliar
Quando a espessura da placa excede 1,5 mm, será gerada uma certa quantidade de rebarbas na secção de corte. No entanto, as rebarbas não são suficientemente afiadas para riscar o papel.
A espessura máxima que pode ser cortada com ar como gás auxiliar varia consoante a potência e a tipo de laser gerador.
A secção de corte produz uma camada de óxido amarelo.
O rebarba de corte será reduzido em comparação com a utilização de azoto como gás auxiliar.
A tabela 2 apresenta a gama de corte quando o ar é utilizado como gás auxiliar para as máquinas de corte a laser de dióxido de carbono e corte por laser de fibra máquinas.
Tabela 2 A espessura máxima da placa é cortada quando o ar é utilizado como gás auxiliar
| Materiais | Gás | 4KW CO2 Cortador a laser | 4KW Laser de fibra Cortador |
|---|---|---|---|
| Chapa de aço Q235 | Ar | 3mm | 3mm |
| Oxigénio | 20 mm | 22 mm | |
| Chapa de aço SUS304 | Ar | 3mm | 3mm |
| Nitrogénio | 12 mm | 18 mm | |
| Chapa de alumínio A1050 | Ar | 6mm | 2mm |
| Nitrogénio | 6mm | 8 mm | |
| Placa de liga de alumínio A5052 | Ar | 6mm | 2mm |
| Nitrogénio | 10 mm | 16 mm |
(1) Para chapa de aço-carbono
Quando o ar é utilizado como gás auxiliar durante o corte a laser de aço-carbono, produz secções cortadas com um mínimo de rebarbas. Estas rebarbas são normalmente menos afiadas e mais manejáveis em comparação com as produzidas por outros gases. Este resultado é particularmente vantajoso para componentes com requisitos moderados de tolerância de rebarbas. A reação de oxidação entre o ar e o aço fundido cria uma fina camada de óxido que pode realmente ajudar na ejeção do material fundido, resultando em cortes mais limpos.
(2) Para chapa de aço inoxidável
A utilização de ar como gás auxiliar no corte de chapas de aço inoxidável induz a oxidação, o que pode levar a vários desafios. As arestas cortadas podem desenvolver defeitos como a formação de escória e porosidade (estoma) na zona de soldadura em perspetiva. Estas imperfeições podem comprometer significativamente a integridade das operações de soldadura subsequentes, reduzindo potencialmente a resistência e a qualidade da junta soldada.
Para mitigar estes problemas, é crucial implementar um processo de preparação da superfície pós-corte. Normalmente, este processo envolve a remoção mecânica da camada de óxido das arestas cortadas através de um esmerilamento ou polimento cuidadoso. Este passo é essencial para restaurar a superfície para uma condição adequada à soldadura de alta qualidade, garantindo uma resistência e um desempenho óptimos da junta.
Além disso, a secção cortada desenvolverá uma camada de óxido amarelo-castanho caraterística. Esta descoloração pode ser problemática para peças visíveis externamente, onde a estética é importante. A camada de óxido também interfere com os processos de soldadura, introduzindo impurezas e alterando as propriedades da superfície do material. Por conseguinte, é imperativo remover esta camada através de polimento ou tratamento químico antes de qualquer operação de soldadura para garantir uma fusão adequada e a integridade da junta.
(3) Para chapa de alumínio e chapa de liga de alumínio
No caso de chapas de alumínio e ligas de alumínio, a utilização de ar como gás auxiliar durante o corte oferece uma vantagem distinta em termos de redução de rebarbas. O processo de oxidação que ocorre com o ar ajuda a gerir o fluxo de metal fundido, resultando em rebarbas mais pequenas e mais controladas ao longo das arestas de corte. Isto contrasta com a utilização de nitrogénio como gás auxiliar, que, apesar de proporcionar um corte limpo, tende a produzir rebarbas maiores devido à ausência do efeito de oxidação.
A escolha entre ar e nitrogénio para o corte de alumínio depende frequentemente da composição específica da liga, da espessura da chapa e da aplicação pretendida para as peças cortadas. Para aplicações em que se pretende um pós-processamento mínimo e em que é aceitável uma ligeira oxidação, o ar pode ser a escolha preferida. No entanto, para componentes de alta precisão ou quando é necessária uma superfície completamente isenta de óxido, o azoto pode ser preferido apesar das rebarbas maiores, uma vez que estas podem ser mais facilmente removidas em operações de acabamento subsequentes.
Ao utilizar o ar como gás auxiliar em processos de fabrico de metal, é essencial uma pressão consistente de 0,9MPa. Para satisfazer este requisito, recomenda-se a utilização de um compressor de ar do tipo parafuso com uma pressão de trabalho nominal de 1,26 MPa e um caudal de 2,3 m³/min. Esta especificação assegura a pressão e o volume adequados para um desempenho ótimo.
A qualidade do ar é crucial para aplicações de corte e soldadura de precisão. O ar comprimido deve atingir uma taxa de secagem de 99% com um teor de humidade inferior a 1/100. Para manter este elevado padrão, implemente um sistema de filtragem de várias fases na conduta de ar comprimido, incorporando filtros de ar particulado de alta eficiência (HEPA) e filtros coalescentes. A manutenção regular e a substituição destes elementos filtrantes são fundamentais para manter a qualidade do ar ao longo do tempo.
Para uma remoção eficaz da humidade, estão disponíveis duas opções principais de secadores: secadores por adsorção regenerativa e secadores por refrigeração. Embora ambos tenham os seus méritos, os secadores por adsorção regenerativa são preferidos pela sua estabilidade superior, menores requisitos de manutenção e maior vida útil operacional. Estes sistemas utilizam materiais dessecantes para remover a humidade, oferecendo um desempenho consistente mesmo em condições ambientais variáveis.
Ao projetar o sistema de distribuição de ar comprimido, deve ser dada uma atenção especial ao diâmetro da tubagem e à seleção do redutor de pressão. Estes componentes devem ser dimensionados com base no caudal e na pressão de saída do compressor para minimizar a queda de pressão e garantir um fornecimento de ar estável no ponto de utilização. A implementação de um sistema de loop com cabeçalhos e pernas de queda adequadamente dimensionados pode aumentar ainda mais a estabilidade da pressão e a eficiência do sistema.
Para otimizar o consumo de energia, considere investir num compressor de ar de parafuso com acionamento de frequência variável (VFD) de ímanes permanentes. Estes sistemas avançados podem reduzir o consumo de eletricidade até 50% em comparação com alternativas de velocidade fixa. A tecnologia VFD permite que o compressor ajuste a sua saída com base na procura, resultando em poupanças de energia significativas durante os períodos de menor consumo de ar.
Além disso, a implementação de um sistema de gestão de ar abrangente pode aumentar ainda mais a eficiência, monitorizando os padrões de utilização do ar, detectando fugas e optimizando o funcionamento do compressor. Auditorias regulares ao sistema de ar comprimido podem identificar oportunidades de melhoria tanto no desempenho como na eficiência energética.
No atual panorama industrial altamente competitivo, as empresas podem ganhar uma vantagem significativa optimizando os seus processos de produção, elevando a sofisticação da conceção dos produtos e implementando estratégias de fabrico inovadoras.
Uma abordagem particularmente eficaz para alcançar uma vantagem competitiva consiste em reduzir os custos de processamento nos fluxos de trabalho existentes. Isto pode ser conseguido através da adoção de tecnologias avançadas e da otimização inteligente dos processos.
Uma dessas soluções económicas é a utilização do ar como gás auxiliar nas operações de corte, especialmente para determinados materiais e espessuras. Esta abordagem pode reduzir substancialmente os custos de corte, especialmente quando comparada com os métodos tradicionais que utilizam azoto ou oxigénio. Os benefícios vão para além da mera poupança de custos:
Ao implementar o corte assistido por ar comprimido sempre que necessário, as empresas podem não só aumentar as suas margens de lucro, mas também afetar recursos de forma mais eficaz a outras áreas críticas do desenvolvimento empresarial. Esta mudança estratégica na afetação de recursos pode fornecer um apoio vital para iniciativas mais amplas de transformação e atualização, permitindo às empresas manterem-se competitivas num panorama industrial em constante evolução.
É importante notar, no entanto, que a adequação do ar como gás auxiliar depende de factores como o tipo de material, a espessura e a qualidade de corte necessária. As empresas devem efetuar análises de custo-benefício e avaliações de qualidade minuciosas antes de implementarem esta tecnologia nas suas linhas de produção.
À medida que as indústrias continuam a evoluir, a adoção destas tecnologias rentáveis e eficientes será crucial para as empresas que pretendem manter uma vantagem competitiva, ao mesmo tempo que procuram um crescimento sustentável e a inovação.
Como fundador da MachineMFG, dediquei mais de uma década da minha carreira à indústria metalúrgica. A minha vasta experiência permitiu-me tornar-me um especialista nos domínios do fabrico de chapas metálicas, maquinagem, engenharia mecânica e máquinas-ferramentas para metais. Estou constantemente a pensar, a ler e a escrever sobre estes assuntos, esforçando-me constantemente por me manter na vanguarda da minha área. Deixe que os meus conhecimentos e experiência sejam uma mais-valia para a sua empresa.
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