Full Text - departamento de engenharia mecânica

LASER DE DIODOS – UMA ALTERNATIVA NO TRATAMENTO DE
SUPERFÍCIES
1*
2
1
R. Slud , H. Gouveia , A. S. C. M. d’Oliveira
1) LaMaTS – Centro de caracterização de Materiais, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Paraná, Centro Politécnico, Jardim das Américas Caixa
postal: 50 531 990 – [email protected]
* - Bolsista PIBIC
2) Instituto de Soldadura e Qualidade, Tagus Park Apartado 119, Oeiras, 2781951 Portugal
RESUMO
A associação entre o Laser e o processamento de superfícies pode resultar em superfícies com
elevada resistência ao desgaste e baixa distorção, simultaneamente com a possibilidade de se
obter elevadas velocidades de processamento e fácil controle dos parâmetros de
processamento. As vantagens do processamento de superfícies por laser são conhecidas,
sendo que as principais desvantagens centram-se no preço e grandes dimensões dos
equipamentos disponíveis. Apesar disso tem-se observado um aumento significativo da
utilização dos lasers na indústria desde o seu aparecimento nos anos 60. Recentemente um
novo laser foi introduzido no mercado, o laser de diodos. Apresentando-se como uma
ferramenta alternativa, oferece vantagens sobre o laser de CO2, como baixo custo de
operação, dimensões reduzidas, elevadas taxas de absorção, elevada eficiência e
possibilidade de transportar a radiação por fibra ótica. No presente trabalho um aço AISI1045
foi processado com um laser de diodos com o intuito de avaliar o efeito de três parâmetros:
velocidade de processamento, potência e modo de distribuição de energia no feixe (MODO). O
endurecimento superficial foi caracterizado recorrendo a perfis de microdureza e avaliação
microestrutural. Os resultados obtidos são discutidos e comparados com as características
esperadas após processamento com um laser de CO2.
Palavras chaves: laser, tratamento superficial, têmpera superficial, laser de diodos
INTRODUÇÃO
O processo de endurecimento superficial a laser vem trazendo grandes benefícios para a
fabricação de componentes industriais que necessitam de elevada resistência ao desgaste em
sua superfície.Várias são suas vantagens quando comparadas aos processos convencionais
existentes. Fácil controle de parâmetros, mínima distorção, alta velocidade de processamento e
ausência de meio externo de têmpera são algumas delas [1,2]. O processo consiste em
aquecer o componente, ou uma região deste, a uma temperatura acima da temperatura de
austenitização e posterior autotêmpera. Uma boa combinação entre os parâmetros principais –
potência e velocidade de processamento – gera a obtenção de martensita até a profundidade
desejada.
Vários são os tipos de laser que podem ser utilizados para este processo. Nesta pesquisa
foi utilizado um laser de diodos, que é um tipo comumente designado de lasers de
semicondutores já que consiste em um transdutor que transforma energia elétrica em fótons
[3]. Das grandes diferenças existentes entre os vários tipos de laser, a primeira encontra-se no
comprimento de onda [4]. Por possuir um pequeno comprimento de onda, 940nm, comparado
com o do laser de CO2 - 10,6µm, sua radiação é mais facilmente absorvida pelos metais,
tornando desnecessária a aplicação de um revestimento absorvente [5]. Outras diferenças
significativas são o tamanho da estação (aproximadamente 10 vezes menor que uma estação
de CO2) e a possibilidade de sua radiação ser transportada por fibra ótica, fato que possibilita a
uma estação alimentar várias sub-estações de trabalho [6]. Uma única desvantagem é
comentada na literatura e diz respeito à alta taxa de divergência apresentada pelo feixe de
laser de diodos. Esta é ocasionada pela falta de coerência entre as ondas emitidas
individualmente pelos diodos [5, 7]. Para solucionar este problema, um conjunto ótico pode ser
3136
utilizado para compensar esta “falta de foco” obtendo-se um ponto focado razoavelmente
pequeno [7].
Apesar de todas as vantagens apresentadas pelo laser de diodos quando comparado ao
laser de CO2, ele ainda é muito pouco utilizado em escala industrial. Isto se deve
principalmente à falta de informações disponíveis sobre processamento com laser de diodos. É
com o intuito de suprir parte destas necessidades que este trabalho foi desenvolvido. O
trabalho visa identificar os efeitos diretos das variações de parâmetros isolados no processo de
têmpera superficial a laser. Para isso vários conjuntos de potência,
velocidade de
processamento e modo de distribuição de energia no feixe de laser (MODO) foram utilizados no
processamento de várias amostras para criar resultados que pudessem ser comparados,
criando referência para a utilização deste novo tipo de laser na indústria.
PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL
Amostras de aço AISI 1045, na condição normalizada foram processadas superficialmente
com um laser de diodos - Rofin DL 015 S – que emite uma potência máxima de 1500 W e
possui comprimento de onda de 940 nm (figura 1).
Figura 1 – a) estação do laser utilizado (Rofin- Sinar); b) cabeça
do laser acoplada a robô ABB.
No processamento destas amostras foram avaliados os parâmetros de potência,
velocidade de processamento e modo – distribuição de energia no feixe (figura 2 ) – afim de
obter resultados representativos e que pudessem ser comparados. Os conjuntos de parâmetros
utilizados encontram-se nas tabelas 1, 2 e 3.
feixe
área sendo
processada
substrato
Figura 2 - a) esquema do processo; b) modo do laser de diodos utilizado
na pesquisa.
3137
Tabela 1 – parâmetros para análise do efeito da velocidade de processamento.
Potência (W)
1506
1506
1506
Velocidade (mm/s)
20
40
60
Modo
em y
em y
em y
Fluxo de Gás (l/min)
8
8
8
Tabela 2 - parâmetros para análise do efeito da potência.
Potência (W)
267
504
999
1506
Velocidade (mm/s)
20
20
20
20
Modo
em y
em y
em y
em x
Fluxo de Gás (l/min)
8
8
8
8
Tabela 3 – parâmetros para análise do efeito do modo.
Potência (W)
225
225
Velocidade (mm/s)
5
5
Modo
em x
em y
Fluxo de Gás (l/min)
8
8
O processamento destas amostras ocorreu no ISQ – Instituto de Soldadura e Qualidade,
em Portugal e seguiu as normas gerais de processamento. Isto é, as amostras passaram pelas
fases de decapagem e limpeza antes de serem submetidas ao processamento por laser.
O efeito dos diferentes conjuntos de parâme tros foi determinado na seção transversal das
amostras, recorrendo a microscopia ótica para análise microestrutural e determinação das
dimensões da zona tratada (largura e profundidade). Microdureza Vickers, com carga de 300g,
foi empregada para o levantamento de perfis de microdureza e confirmação da profundidade
de têmpera. Nital (2%) foi utilizado para revelar as microestruturas.
RESULTADOS E DISCUSSÃO
Microdurezas e dimensões da Zona Termicamente Afetada (ZTA)
O efeito da velocidade de processamento está apresentado nas figuras 3 e 4. Tal como
esperado a dureza na superfície dos corpos de prova é independente da velocidade de
processamento, já que esta é função do teor de carbono no aço. No entanto o seu efeito é
claro nas dimensões da região temperada. Verifica-se que quanto menor a velocidade de
processamento maior a profundidade da zona tratada. Isto pode ser atribuído ao maior tempo
de interação obtido entre a peça e o laser resultando em transferência de calor a zonas mais
distantes da superfície levando à formação de martensita a profundidades maiores.
HV 0,3
800
600
1500W 20mm/s
400
1500W 40mm/s
200
1500W 60mm/s
0
0
500
1000
1500
distancia da superficie (microns)
Figura 3 – Efeito da velocidade de processamento
3138
profundidade
(mícrons)
1200
1000
800
600
400
200
0
vel. 20mm/s
vel. 40mm/s
vel. 60mm/s
Figura 4 - Efeito da velocidade de processamento na profundidade tratada
Analisando os ef eitos da potência de processamento, observa-se que o seu principal
efeito está na profundidade tratada. É possível notar que maiores potências levam à obtenção
de maiores durezas a maiores profundidades (figuras 5 e 6). Isto se deve ao fato de que
maiores potências geram maiores temperaturas superficiais. Isto leva a temperaturas acima da
temperatura de austenitização a maiores profundidades, resultando em maiores profundidades
tratadas. O resultado mais surpreendente está no fato de todos os níveis de potência utilizados
terem permitido temperar a superfície, confirmado pelo mesmo valor de dureza medido na
superfície de todos os corpos de prova. Isto é contrário ao observado no processamento do
mesmo material com laser de CO2 [8]. Este comportamento pode ser atribuído a uma maior
absorção da radiação em conseqüência do menor comprimento de onda no laser de diodos
(940nm) em relação ao laser de CO2 (10,6µ m).
1000
267W 20mm/s
HV 0,3
800
600
504W 20mm/s
400
999W 20mm/s
200
0
0
500
1000
1500
1506W 20mm/s
distancia da superficie
Figura 5 – Efeito da variação da potência de processamento
profundidade
(mícrons)
1200
1000
800
600
400
200
0
pot 267W pot 504W pot 999W pot 1504
Figura 6 – Efeito da potência de processamento na profundidade tratada
As figuras 7 e 8 ilustram o efeito da orientação da direção de processamento em
relação ao modo. Nos laser de CO2 , a distribuição de energia no feixe é gaussiana. Ou seja,
observando-se a seção transversal de uma superfície processada, nota-se que no centro da
3139
região temperada as profundidades são maiores que na periferia, como mostrado na figura
2a.
1000
HV 0,3
800
600
modo em y
400
modo em x
200
0
0
200
400
600
800
distancia da superficie (microns)
Figura 7 – Efeito da variação da orientação da direção de processamento em relação ao modo
mícrons
2000
1500
modo x
1000
modo y
500
0
largura
profundidade
Figura 8 – Efeito da orientação da direção de processamento nas dimensões da área tratada
Tipicamente nos laseres de CO2 quando o feixe incide sobre a superfície obtém-se uma área
circular. Assim, não se coloca a questão da orientação da direção de processamento. Ao se
utilizar um feixe de laser com uma área de incidência que é um retângulo e com a distribuição
de energia apresentada na figura 2b, apesar da distribuição de energia seguir uma distribuição
gaussiana em sua seção transversal, deverá ser possível alterar as dimensões da região
processada em função da orientação da direção de processamento (X ou Y). De fato observase um aumento na largura da região temperada no modo X, não comprometendo
significativamente a profundidade, em oposição ao esperado nos laser de CO2, onde um
aumento da largura a resulta em redução significativa da profundidade tratada.
3140
Análises metalográficas
O efeito do processamento superficial por laser na estrutura do aço AISI 1045 pode ser
observado na figura 9. Tal como esperado após têmpera superficial, observa-se uma estrutura
martensítica na superfície, responsável pelo aumento de dureza medido. A figura 9a mostra a
estrutura inicial do substrato, isto é na condição normalizada, as fases de perlita e ferrita são
facilmente identificadas. Verifica-se que para diferentes condições de processamento, figura
9b, 9c e 9d, se obtém sempre martensita na superfície.
a)
b)
d)
Figura 9 – a) microestrutura original, b) amostra processada com 504W e 20mm/s (160x);
c) amostra processada com 975W e 60mm/s (160X); d) d) a amostra processada com 1506W
e 60mm/s (160x).
CONCLUSÕES
Para as condições testadas foi sempre possível obter estrutura martensítica na superfície,
demonstrando a facilidade de processamento do equipamento utilizado, mesmo com potências
baixas. Isto é atribuído à elevada taxa de absorção, o que torna o laser de diodos uma
ferramenta muito competitiva com os outros lasers disponíveis no mercado.
Devem-se ainda realçar os seguintes pontos:
• O aumento da velocidade acarreta a diminuição da profundidade tratada para potência
constante
• O aumento da potência resulta em aumento de profundidade tratada para velocidade
de processamento constante,
• A variação da orientação da direção de processamento em relação ao modo provoca
um aumento da largura das pistas temperadas sem redução significativa da sua
profundidade.
3141
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
Q. Liu, Y. Song, Y. Yang, G. Xu and Z. Zhao, On the laser quenching of the
groove of the piston head in large diesel engines, Journal of Materials Engineering and
Performance, June 1998;
Y. Arata, H. Maruo e I. Myamoto, Effect of heating condition in laser hardening
carbon steel, Plasma Electron and Beam Technology, September 1997;
L. Rogers and M. Apter, High-power diode lasers putting on the heat, Industrial
Laser Review, April 1997;
B. Hansen and L. Skjerning, Welding – Recomendation for welding of metallic
materials – part 6: laser beam welding, European Committee for standardization,
August 2000;
Rofin – Sinar, High power diode lasers debut, Enginnering Lasers & Power
Beam Processing, May 1998;
www.ilr.com
G. Sepold, E. Shubert, T. Franz and T. Seefeld, Processing with a 1.4kW diode
laser, Industrial Laser Review, October 1997;
Assumpção, L.F.J., d´Oliveira, A.S.C.M., Têmpera superficial por laser de aço
ao chumbo, Máquinas e Metais, p.154, n.429, 2001
3142
DIODE LASER – A NEW CHOICE
1*
2
1
R. Slud , H. Gouveia , A. S. C. M. d’Oliveira
1) LaMaTS – Centro de caracterização de Materiais, Departamento de Engenharia
Mecânica, Universidade Federal do Paraná, Centro Politécnico, Jardim das Américas Caixa
postal: 50 531 990 – [email protected]
* - Bolsista PIBIC
2) Instituto de Soldadura e Qualidade, Tagus Park Apartado 119, Oeiras, 2781951 Portugal
ABSTRACT
The partnership between laser and surface processing can combine high wear resistance,
low thermal distortion, high processing speed and easy control of parameters. These laser
process advantages over the conventional processes have been long known, the main
drawback being the prices and dimensions of the equipments available. Nevertheless the use of
laser processing in industry has grown since its first appearance back in the 60’s. Recently a
new laser has entered the market. Diode laser is a new tool and presents some advantages
over its competitor, the CO2 laser. Among those one can mention: lower operating cost, smaller
size, higher absorption rates, higher efficiency and radiation transportation by optical fibers. In
the present work, AISI 1045 carbon steel sheets were processed using a Rofin DL 015 S diode
laser. Three main parameters were studied: input power, processing speed and mode. Argon
was used as the protection gas. Surface hardening was characterized by microhardness profiles
and microstructural evaluation. Results are discussed and compared to the features of materials
processed with CO2 laser..
Key words: Laser, Surface Treatments, Surface Quenching, Diode Laser
3143