O papel dos gases auxiliares na qualidade do corte de uma máquina de corte a laser.

Ao observar uma máquina de corte a laser, é fácil perceber o feixe laser, o movimento rápido do cabeçote de corte e as bordas lisas deixadas pelo corte. Porém, há muito mais acontecendo do que simplesmente o feixe laser realizando todo o trabalho. No ponto em que o feixe entra em contato com o material, um jato de gás está sendo injetado. Esse é o gás auxiliar, e ele é mais crítico para a qualidade dos cortes do que a maioria das pessoas imagina.

Quando você opera uma máquina de corte a laser, o gás auxiliar é uma parte integrante do processo e influencia a velocidade de corte, a nitidez das bordas e a presença de escória pendurada na peça trabalhada. Independentemente do material, são necessários gases diferentes, bem como pressões e vazões distintas, conforme a espessura do material. Acertar esses parâmetros determina se você obterá uma peça de qualidade ou uma que exigirá trabalho adicional.

Qual é a função dos gases auxiliares? Por que eles são importantes?

O gás auxiliar desempenha um papel multifacetado. Em primeiro lugar, ajuda a remover o material fundido da fenda de corte. Durante o corte a laser, o metal fundido gerado precisa ser removido da fenda para evitar sua solidificação e consequente deterioração da borda da fenda. O gás auxilia na remoção do metal fundido da parte inferior da fenda. Em segundo lugar, protege a óptica: o fluxo do gás auxiliar mantém limpos a lente e o bico, impedindo a acumulação de resíduos, faíscas e gotículas metálicas. Por fim, no caso de alguns materiais, o gás auxiliar contribui diretamente para o processo de corte. Por exemplo, a reação exotérmica do gás oxigênio ajuda a acelerar o processo de corte, enquanto o nitrogênio, que não reage, também auxilia na remoção do metal da fenda.

Para selecionar o gás adequado para uma aplicação específica, é importante compreender o papel desempenhado pelo gás auxiliar. Além disso, diferentes gases possuem especificações distintas, incluindo fluxo, pressão e pureza.

Oxigênio: Um Gás Que Gera Calor

O oxigênio é um dos gases mais comumente utilizados para o corte de aço-macio. Para aplicações industriais de corte, sua pureza deve ser de, no mínimo, 99,5 por cento. Quando se utiliza oxigênio de alta pureza, o metal aquecido na borda de corte começa a queimar. Essa combustão faz com que o metal libere energia, auxiliando o laser de corte a processar materiais mais espessos em uma taxa mais elevada. A reação entre o jato de oxigênio e o precipitado metálico pode aumentar a velocidade de corte em 40 a 50 por cento, comparada ao uso de gases não reativos.

O corte a oxigênio é realizado em baixa pressão, tipicamente na faixa de 0,5 a 5 bar, ou 7 a 70 PSI. Para aços-carbono espessos, com espessura de 8 a 22 milímetros, utiliza-se uma pressão de aproximadamente 10 bar e um consumo de gás de cerca de 20 a 22 metros cúbicos por hora. Em chapas extremamente espessas, a pressão pode permanecer na faixa de 0,05 a 0,07 MPa ao se empregarem bicos de camada dupla especialmente projetados.

A desvantagem de usar oxigênio puro é o resultado de uma reação conhecida como borda oxidada. A borda oxidada deixa uma camada escura de óxido que pode precisar ser limpa antes de ser pintada ou soldada. A borda pode ser um pouco mais áspera do que ao utilizar outros gases. A capacidade de corte com gás oxigênio, em termos de velocidade e espessura, geralmente é a melhor opção para aço-macio na maioria das oficinas de fabricação.

Nitrogênio: O Gás para Bordas Limpas

Em comparação com o oxigênio, o nitrogênio é inerte e exige uma pureza de 99,95% ou superior para corte a laser. A maioria dos profissionais prefere e utiliza pureza de 99,99%. Para a maioria das aplicações, isso é suficiente e economicamente mais viável. Ele simplesmente empurra o material fundido para fora do corte, resultando em uma superfície limpa.

Como o nitrogênio depende de e utiliza força mecânica, ele exige significativamente mais pressão. As faixas típicas de trabalho variam entre 10 e 20 bar, ou 150 e 300 PSI. No corte de materiais com menos de 8 mm, é comum utilizar pressões de 15 bar, associadas a uma vazão de 50 metros cúbicos por hora. Para espessuras entre 12 e 15 mm, são obrigatórias pressões de 15 a 22 bar, com vazões de 120 metros cúbicos por hora. Na seção mais espessa, de 22 mm, as pressões típicas variam entre 22 e 30 bar (ou 319 a 435 PSI), com vazões de 150 metros cúbicos por hora.

Ao cortar aço inoxidável e alumínio com nitrogênio, a borda fica brilhante, livre de oxidação, descoloração e incrustações. As peças cortadas estão prontas para soldagem e pintura diretamente após saírem da máquina. A desvantagem é que os cortes com nitrogênio são mais lentos e consomem muito mais gás. Por exemplo, um cilindro de nitrogênio de 40 litros, pressurizado a 15 MPa e com pureza de 99,99%, durará apenas 35 minutos ao cortar com um bico de 2,0 mm e pressão de 1,2 MPa. Isso é significativo na produção em grande volume.

Ar Comprimido: A Opção de Compromisso

O ar comprimido é a alternativa mais econômica e representa, literalmente, um compromisso. A composição do ar comprimido é de cerca de 78 por cento de nitrogênio e 21 por cento de oxigênio, com uma pequena porcentagem de outros gases. Isso explica por que ocorre alguma oxidação devido ao componente de oxigênio, embora em menor grau do que com oxigênio puro. As bordas cortadas serão mais limpas do que com oxigênio, mas não tão limpas quanto com nitrogênio. As velocidades de corte com ar comprimido são melhores, porém não tão boas quanto com os outros dois gases.

Se você precisar cortar materiais finos com espessura de 3 a 4 mm e a qualidade não for uma questão prioritária, o uso de ar comprimido é uma boa maneira de economizar dinheiro. Os únicos custos contínuos são a energia necessária para operar o compressor de ar e os custos de manutenção do sistema de filtração do compressor de ar.

No entanto, utilizar ar comprimido em operações de corte representa um grande risco. O ar contém muitos contaminantes, como poeira, água e óleo, que danificam os componentes ópticos e comprometem a qualidade do corte. Para evitar esse tipo de problema, será necessário adicionar equipamentos adicionais que protejam seus componentes ópticos e a qualidade do corte. No que diz respeito aos filtros de ar, as normas industriais recomendam que o ar comprimido utilizado contenha no máximo 0,01 ppm de óleo e tenha um ponto de orvalho igual ou inferior a 10 graus Celsius. Por essa razão, é necessário empregar um sistema de filtração de múltiplos estágios de alta qualidade, o que é muito dispendioso.

Gases especiais, como o argônio, são utilizados para cortar titânio e ligas de titânio. É necessário um ambiente seguro, o qual o argônio proporciona, pois trata-se de um gás inerte. Um gás inerte é aquele que não reage com a maioria dos materiais durante o processo. Para operações de corte de titânio, a pureza do argônio deve ser de 99,99%. Além disso, a pressão do gás deve ser superior a 1,2 MPa para peças de titânio mais espessas.

Existem certas misturas personalizadas de gás projetadas para usos específicos, mas, para a maioria das oficinas, oxigênio, nitrogênio e ar são os componentes gasosos que cobrem a maior parte dos trabalhos.

Padrões de Pureza e Qualidade dos Gases

A pureza do gás não é apenas uma especificação; é um elemento-chave que influencia diretamente a qualidade do corte. No caso do nitrogênio, se houver traços de oxigênio, as bordas do aço inoxidável ficarão descoloridas, o que anula completamente o propósito desejado para o uso do nitrogênio. No caso do oxigênio, as impurezas reduzirão a eficiência da reação exotérmica, fazendo com que os cortes sejam realizados mais lentamente e com bordas de qualidade inferior.

A seguir estão os requisitos comuns para diferentes tipos de gases utilizados na indústria:

O nível de filtração e a variação na qualidade do ar são ambos críticos.

Tabelas Práticas de Parâmetros para Materiais Comuns

Embora o tipo de gás comprimido realmente importe quanto à qualidade do corte, a pressão e a vazão também são importantes. Se a pressão for muito baixa, o material fundido não será removido e resíduos (dross) permanecerão na borda inferior do corte. Se a pressão for muito alta, o corte poderá ser interrompido, poderá ocorrer turbulência e poderá haver resfriamento excessivo do material.

A vazão do gás nitrogênio dentro do corte, em particular, é crítica. O consumo de gás é registrado em litros por minuto ou metros cúbicos por hora e é influenciado significativamente pelo tamanho do bico e pela pressão utilizada. Por exemplo, um cilindro de nitrogênio com volume de 40 litros a uma pressão de 15 MPa durará apenas cerca de 13 minutos quando um bico de 4,0 milímetros for utilizado a uma pressão de 0,6 MPa, enquanto durará 35 minutos quando um bico de 2,0 milímetros for utilizado a uma pressão de 1,2 MPa. Esse também é o motivo pelo qual a seleção do bico é um fator tão importante na determinação dos seus custos operacionais.

Há diversos fatores a serem considerados ao determinar como ajustar o foco ou a profundidade de corte ideal da máquina. A base do corte dependerá da espessura do material sendo cortado. Uma base com um sulco mais profundo exigirá uma taxa maior de expulsão do metal fundido, o que requererá uma pressão mais elevada. Quanto maior a pressão aplicada ao sistema, maior será seu consumo; portanto, encontrar a pressão mínima eficaz para a tarefa será o meio mais eficiente de controlar os custos.

Solução de Problemas Relacionados ao Gás

Se o corte que você está realizando não estiver correto, o primeiro fator a ser verificado é o gás. A escória na parte inferior geralmente indica pressão insuficiente ou uso de um gás inadequado para o material em questão. Ajustes de 0,5 bar devem ser feitos progressivamente para verificar se há melhoria.

Se houver descoloração no corte do aço inoxidável ao utilizar gás nitrogênio, isso indica que o gás está penetrando no corte contaminado. A pureza do gás deve ser verificada quanto a vazamentos na tubulação de gás. Além disso, o bico não deve apresentar danos. Uma coloração amarela ou azul-clara indicará que o gás está contaminado.

A rugosidade nas bordas do corte pode indicar a formação de turbulência causada por um bico danificado ou uma pressão excessivamente alta no sistema. O orifício do bico deve ser inspecionado para verificar se há alguma deformação ou dano. As bordas do corte devem ser uniformes, o que significa que o fluxo de gás também deve ser uniforme. Se o corte for realizado próximo à extremidade da chapa metálica, o fluxo de gás também deve ser inspecionado para identificar eventuais obstruções no gás fornecido.

O Aspecto de Custo dos Gases Auxiliares

Os gases de assistência são outro custo operacional, pois são adquiridos com base no volume utilizado durante a produção. Os gases de nitrogênio são os mais caros, pois um aumento de 25 por cento ou mais nos custos operacionais pode ocorrer devido às taxas de consumo de nitrogênio, caso a pressão seja ajustada apenas 4 bar acima do necessário. Enquanto isso, o oxigênio é mais barato que o nitrogênio, e, desde que o compressor e o sistema de filtração estejam disponíveis, o ar pode ser utilizado gratuitamente.

No entanto, o custo do gás é apenas uma parte do custo total. Há também a consideração do tempo. Um corte mais rápido com gás auxiliar de oxigênio pode significar que a economia nos custos de mão de obra compensa a perda de qualidade do corte. Por outro lado, um gás auxiliar de nitrogênio pode produzir um corte mais limpo, reduzindo a quantidade de operações de acabamento pós-processamento, como esmerilhamento, lixamento ou outras etapas necessárias para finalizar o corte. Portanto, recomenda-se analisar o custo total de cada peça produzida, em vez de concentrar-se apenas no consumo de gás auxiliar.

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Os gases de assistência são uma parte crítica do processo de corte, influenciando a velocidade, a qualidade e o custo. Para escolher os melhores gases para seus processos de corte, você precisará considerar a composição do gás, a pureza do gás, a pressão do gás e o fluxo de gás em relação ao material que está sendo cortado. Reserve um tempo para analisar quais são os requisitos da sua máquina e realize alguns testes práticos, anotando as observações. Entre em contato caso precise de assistência. Uma configuração adequada de gás terá um impacto significativo nos materiais produzidos pela sua máquina.