LASER DE DIODOS UMA ALTERNATIVA NO TRATAMENTO DE SUPERFÍCIES

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1 LASER DE DIODOS UMA ALTERNATIVA NO TRATAMENTO DE SUPERFÍCIES R. Slud 1*, H. Gouveia 2, A. S. C. M. d Oliveira 1 1) LaMaTS Centro de caracterização de Materiais, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Paraná, Centro Politécnico, Jardim das Américas Caixa postal: sofmat@demec.ufpr.br * - Bolsista PIBIC 2) Instituto de Soldadura e Qualidade, Tagus Park Apartado 119, Oeiras, 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 6. Recentemente um novo laser foi introduzido no mercado, o laser de diodos. Apresentando-se como uma ferramenta alternativa, oferece vantagens sobre o laser de CO 2, 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 AISI145 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 CO 2. 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, 94nm, comparado com o do laser de CO 2-1,6µm, 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 1 vezes menor que uma estação de CO 2 ) 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

2 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 CO 2, 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 145, na condição normalizada foram processadas superficialmente com um laser de diodos - Rofin DL 15 S que emite uma potência máxima de 15 W e possui comprimento de onda de 94 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

3 Tabela 1 parâmetros para análise do efeito da velocidade de processamento. Potência (W) Velocidade (mm/s) Modo Fluxo de Gás (l/min) em y em y em y 8 Tabela 2 - parâmetros para análise do efeito da potência. Potência (W) Velocidade (mm/s) Modo Fluxo de Gás (l/min) em y em y em y em x 8 Tabela 3 parâmetros para análise do efeito do modo. Potência (W) Velocidade (mm/s) Modo Fluxo de Gás (l/min) em x em y 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 3g, 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, distancia da superficie (microns) 15W - 2mm/s 15W - 4mm/s 15W - 6mm/s Figura 3 Efeito da velocidade de processamento 3138

4 profundidade (mícrons) vel. 2mm/s vel. 4mm/s vel. 6mm/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 CO 2 [8]. Este comportamento pode ser atribuído a uma maior absorção da radiação em conseqüência do menor comprimento de onda no laser de diodos (94nm) em relação ao laser de CO 2 (1,6µm). HV, distancia da superficie 267W - 2mm/s 54W - 2mm/s 999W - 2mm/s 156W - 2mm/s Figura 5 Efeito da variação da potência de processamento profundidade (mícrons) pot 267W pot 54W pot 999W pot 154 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 CO 2, 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

5 região temperada as profundidades são maiores que na periferia, como mostrado na figura 2a. 1 HV, distancia da superficie (microns) modo em y modo em x Figura 7 Efeito da variação da orientação da direção de processamento em relação ao modo 2 mícrons modo x modo y largura profundidade Figura 8 Efeito da orientação da direção de processamento nas dimensões da área tratada Tipicamente nos laseres de CO 2 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 CO 2, onde um aumento da largura a resulta em redução significativa da profundidade tratada. 314

6 Análises metalográficas O efeito do processamento superficial por laser na estrutura do aço AISI 145 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) Figura 9 a) microestrutura original, b) amostra processada com 54W e 2mm/s (16x); c) amostra processada com 975W e 6mm/s (16X); d) d) a amostra processada com 156W e 6mm/s (16x). d) 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

7 REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS 1. 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; 2. Y. Arata, H. Maruo e I. Myamoto, Effect of heating condition in laser hardening carbon steel, Plasma Electron and Beam Technology, September 1997; 3. L. Rogers and M. Apter, High-power diode lasers putting on the heat, Industrial Laser Review, April 1997; 4. B. Hansen and L. Skjerning, Welding Recomendation for welding of metallic materials part 6: laser beam welding, European Committee for standardization, August 2; 5. Rofin Sinar, High power diode lasers debut, Enginnering Lasers & Power Beam Processing, May 1998; G. Sepold, E. Shubert, T. Franz and T. Seefeld, Processing with a 1.4kW diode laser, Industrial Laser Review, October 1997; 8. 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,

8 DIODE LASER A NEW CHOICE R. Slud 1*, H. Gouveia 2, A. S. C. M. d Oliveira 1 1) LaMaTS Centro de caracterização de Materiais, Departamento de Engenharia Mecânica, Universidade Federal do Paraná, Centro Politécnico, Jardim das Américas Caixa postal: sofmat@demec.ufpr.br * - Bolsista PIBIC 2) Instituto de Soldadura e Qualidade, Tagus Park Apartado 119, Oeiras, 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 6 s. Recently a new laser has entered the market. Diode laser is a new tool and presents some advantages over its competitor, the CO 2 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 145 carbon steel sheets were processed using a Rofin DL 15 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 CO 2 laser.. Key words: Laser, Surface Treatments, Surface Quenching, Diode Laser 3143