Otimização do processo de usinagem de titânio com laser pulsado de neodímio por Ivan Alves de Almeida - Versão HTML

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AUTARQUIA ASSOCIADA À UNIVERSIDADE DE SÃO PAULO

OTIMIZAÇÃO DO PROCESSO DE USINAGEM DE TITÂNIO

COM LASER PULSADO DE NEODÍMIO

IVAN ALVES DE ALMEIDA

Tese apresentada como parte dos

requisitos para obtenção do Grau

de Doutor em Ciências na área de

Tecnologia Nuclear – Materiais.

Orientador: Dr. Wagner de Rossi

São Paulo

2007

IVAN ALVES DE ALMEIDA

Otimização do Processo de Usinagem de Titânio

com Laser Pulsado de Neodímio

Tese apresentada ao Instituto de Pesquisas

Energéticas e Nucleares como parte dos

requisitos para obtenção do Grau de Doutor

em Ciências

Área de Concentração: Tecnologia Nuclear

Materiais

Orientador: Dr. Wagner de Rossi

Novembro – 2007

FOLHA DE APROVAÇÃO

Ivan Alves de Almeida

Otimização do Processo de Usinagem de Titânio com Laser Pulsado de Neodímio

Tese apresentada ao Instituto de Pesquisas

Energéticas e Nucleares como parte dos

requisitos para obtenção do Grau de Doutor

em Ciências

Área de Concentração: Tecnologia Nuclear

Materiais

Aprovado em:

Banca Examinadora

Prof. Dr._____________________________________________________________

Instituição: ________________________Assinatura: _________________________

Prof. Dr._____________________________________________________________

Instituição: ________________________Assinatura: _________________________

Prof. Dr._____________________________________________________________

Instituição: ________________________Assinatura: _________________________

Prof. Dr._____________________________________________________________

Instituição: ________________________Assinatura: _________________________

Prof. Dr._____________________________________________________________

Instituição: ________________________Assinatura: _________________________

DEDICATÓRIA

A minha família com amor, admiração e gratidão por sua compreensão,

carinho, presença e apoio incondicional ao longo do período de elaboração deste trabalho.

AGRADECIMENTOS

Ao meu orientador, Dr. Wagner de Rossi, por toda sua dedicação, empenho e

honestidade no decorrer da orientação.

Ao Dr. Nilson D.Viera Jr., por possibilitar a elaboração deste trabalho no Centro de Laser e Aplicações – CLA.

Ao meu primo, amigo Dr. José Roberto Berretta, pelo apoio e amizade.

Ao Laboratório de Fenômenos de superfície da Escola Politécnica da USP, Dr

Amilton Sinatora e técnico Leandro Justino de Paula, pela cooperação e realização dos ensaios de microdureza.

Ao Dr. Maurício David M. das Neves pelo conhecimento oferecido

generosamente.

Ao Dr. Spero P. Morato e a Lasertools pela colaboração.

À Dra. Sônia Licia Baldochi e Dra. Izilda Ramieri por disponibilizar

equipamentos do laboratório.

À Dra. Vera Lucia pela análise de fluorescência de raios-X.

Ao Laboratório de análise metrológicas (CCN), técnico Felipe B.J. Ferrufino

pela realização dos ensaios de inspeção superficial.

Ao técnico Rubens (CTMSP) pelo fornecimento das análises de rugosidade.

Ao IPEN/CNEN por ceder as instalações para a realização deste trabalho.

Aos meus colegas do Centro de Lasers e aplicações e do Centro de Ciências e

Tecnologia de Materiais, especialmente para Marco Andrade, Paulo da Silva, Elsa Papp, Tort Vidal, Nildemar e Glauson.

Aos órgãos de fomento a pesquisa FINEP, CAPES, FAPESP e IFM que

indireta ou diretamente auxiliaram com financiamentos aos projetos e a bolsa de pesquisa.

RESUMO

I. A. ALMEIDA. Otimização do Processo de Usinagem de Titânio com Laser

Pulsado de Neodímio. 2007. Tese (Doutorado) - Tecnologia Nuclear Materiais -

IPEN, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.

Um requisito do processo de manufatura é a necessidade de se obter peças

processadas, caracterizadas pela boa qualidade de acabamento superficial, baixa rugosidade e a conservação de suas propriedades metalúrgicas. Essas condições motivaram o desenvolvimento deste estudo, no qual selecionou-se o processamento de materiais a laser para o corte do titânio, unindo uma tecnologia a um metal de recente aplicação. Além disso, a versatilidade e as vantagens, como também a

tendência global do setor industrial, tornaram-se fatores preponderantes na

utilização do laser como ferramenta de usinagem. Neste presente trabalho foram investigados os efeitos da usinagem por laser pulsado de Nd:YAG sobre a

qualidade, como também a formação de fases na superfície de corte e analisados pela aplicação do planejamento experimental. Para isso, chapas de titânio

comercialmente puro (grau 2) e da liga Ti-6Al-4V (grau 5), com espessuras de 0,5 e 1,0 milímetros, foram empregadas na realização dos ensaios sob ação do laser. As amostras obtidas foram analisadas por microscopia ótica (MO), microscopia

eletrônica por varredura (MEV), ensaios de microdureza e inspeção superficial da rugosidade. Capturaram-se digitalmente as imagens do material ressolidificado, aderido na superfície de corte para determinação da formação de rebarbas. Com base nestes dados construíram-se arranjos fatoriais, por meio da metodologia de planejamento experimental (DOE), a fim de avaliar o grau de influência dos

parâmetros e suas possíveis interações e assim averiguar sua significância

estatística. Verificou-se um endurecimento superficial na região do corte a laser com nitrogênio, em virtude da formação de nitretos (TiN) sob uma fina camada da zona de ressolidificação. Apesar da complexidade das interações entre os diversos

parâmetros envolvidos no processamento a laser, os resultados corroboram que a otimização do processo de corte a laser do titânio pode ser factível.

Palavras-chave: Processamento de materiais a laser; Laser pulsado Nd:YAG; titânio; Projeto e Análise de experimentos (DOE).

ABSTRACT

I. A. ALMEIDA. Optimization of Titanium Machining by Pulsed Nd:Yag Laser.

2007. Thesis (Doctoral) - Tecnologia Nuclear Materiais - IPEN, Universidade de São Paulo, São Paulo, 2007.

The main goal of this work was to establish the requirements for laser processed parts to satisfy uniform surface finish, low roughness and preservation of the mechanical and functional properties of the parts. Lasers became a versatile

machining tool that satisfies the modern trends in material processing. In this study, the cutting quality factors of sheets of pure titanium and its alloys, by pulsed Nd:Yag laser, were investigated according to the Design and Analysis of Experiments. Laser pulse energy, laser pulse length, pressure of the protective/reactive gas, cutting speed, were considered the key laser parameter processing factors. In this Design, a factorial arrangement, regarding several combinations of these different processing factors, was performed and the influence of each one was also taken into

consideration. The cutting process was performed on commercially pure titanium (grade 2) and the alloy Ti-6Al-4V (grade 5) sheets. The obtained samples were analyzed through optical microscopy in order to determine the edge roughness

formations. The samples were also analyzed by scanning electron microscopy and submitted to micro hardness tests and surface roughness inspections. An increase on the surface hardness on the cut region and the formation of nitrogen precipitates under a thin layer of a melted zone were verified. In spite of the complexity of the interactions between this diversity of parameters, it is possible to optimize the titanium laser cutting.

Keywords: laser machining; Nd:YAG laser; titanium; Design and Analysis of experiments (DOE).

LISTA DE ILUSTRAÇÕES

Figura 1 – Fluxograma das interações entre projeto, seleção de materiais e

processamento em função do desenvolvimento de um projeto.............................17

Figura 2 – Titânio: fonte e características..........................................................................22

Figura 3 – Diferença dos raios atômicos dos elementos intersticiais para a rede

cristalina do titânio.........................................................................................................26

Figura 4 – Esquema representativo da transformação do titânio. .................................28

Figura 5 – (a) Classificação e composição das ligas de titânio distribuídas em relação

pseudobinário diagrama de fase isomorfo. (b) Diagrama de fase isomorfo

pseudobinário relacionando a curva martensitica (Mi/MF) com os campos de

fase α + β. .......................................................................................................................30

Figura 6 – Fotomicrografias das superfíces do Ti puro (a) e da liga Ti6Al4V (b)........30

Figura 7 – Síntese da classificação das ligas de titânio e suas características..........33

Figura 8 –Tipos dos diagramas binários de fase das ligas de titânio. ..........................34

Figura 9 – Aplicações do Titânio.........................................................................................36

Figura 10 – Evolução dos modelos atômicos até a invenção do laser.........................44

Figura 11 – Interação da Luz com a Matéria.....................................................................46

Figura 12 – Esquema ilustrativo da produção do feixe laser..........................................49

Figura 13 – Estrutura do mercado mundial de vendas dos sistemas a laser..............51

Figura 14 – Produção e distribuição mundial de lasers industriais. ..............................51

Figura 15 – Comércio mundial de vendas da indústria óptico-eletrônica (a) laser por

aplicação e (b) por tipo de laser. .................................................................................51

Figura 16 – Quadro Geral das aplicações industriais a laser.........................................53

Figura 17 – Diagrama das variáveis envolvidas no processamento de materiais a

laser. ............................................................................................................................... . 56

Figura 18 – Faixa do espectro eletromagnético com diferentes tipos de lasers. ........57

Figura 19 – Distribuição do campo elétrico na seção transversal do feixe laser. .......61

Figura 20 – Propagação do feixe laser e propriedades. .................................................61

Figura 21 – Processo de corte - interação do feixe laser com o material. ...................65

Figura 22 – Tipos de geometria de bocais. .......................................................................67

Figura 23 –Interações aerodinâmicas do fluxo de gás no processo de corte a laser.67

Figura 24 – Representação das combinações do Projeto Fatorial Fracionado 2(3-1). 80

Figura 25 – Especificações e características dos gases. ...............................................83

Figura 26 – Representação: A) do arranjo de amostras no software Mastercam, B) Dimensões do corte de cada amostra, C) amostras embutidas. ...........................85

Figura 27 – Vista panorâmica da Central de Processamento de Materiais a Laser, no detalhe o sistema de entrega do feixe. ......................................................................86

Figura 28 – Ilustração da técnica para determinar o ponto focal...................................88

Figura 29 – Metodologia de captura da imagem digital. .................................................91

Figura 30 – Dados comparativos entre: (a) imagens de uma única amostra. (b) três amostras distintas A unidade das dimensões em mm. ...........................................92

Figura 31 – Foto da configuração do equipamento para capturar a imagem das

amostras..........................................................................................................................93

Figura 32 – Ilustração da análise de inspeção superficial. .............................................93

Figura 33 – Centro de usinagem industrial........................................................................99

Figura 34 – Ilustração dos pontos de indentação do ensaio de microdureza dinâmica.

Vista transversal da região de corte (esquerda); vista de topo da superfície de corte (direita) com lixamento parcial.........................................................................103

Figura 35 – Esquema ilustrativo do gráfico da carga pela profundidade de

penetração em um ensaio de microdureza dinâmica. ...........................................103

Figura 36 - Difratômetro de raios-X, marca Philips, modelo MPD1880 utilizado neste trabalho..........................................................................................................................105

Figura 37 Micrografia ótica da superfície de corte doTi c.p (ataque com reagente weck).Nota-se a presença de precipitados de nitrogênio (pontos escuros) na

região de fusão (área clara).......................................................................................107

Figura 38 – (1) MEV da superfície de corte com pulsos aparentes. Região marcada com (A) é material base, com (B) zona termicamente afetada. (2) Detalhe da

superfície de corte, observa-se precipitados de nitrogênio (pontos escuros) na região de fusão (área clara).......................................................................................107

Figura 39 – Micrografia ótica da superfície de corte da liga Ti c.p. (grau 2) usinada a laser com gás nitrogênio. Zona de fusão e dendritas. (amostra Ticp_laser).....109

Figura 40 – Detalhe da superfície de corte da liga Ti c.p. (grau 2) usinada a laser com gás nitrogênio. Três micrografias da zona de fusão. ....................................109

Figura 41 – Ensaio de microdureza convencional – comparação entre os valores de dureza do material base laminado e superfície usinada a laser do Titânio puro (grau 2). .........................................................................................................................110

Figura 42 – Ilustração da seqüência de pontos realizados na superfície de corte do Ti-cp (grau 2) usinada a laser com gás nitrogênio (amostra Ticp_laser). ..........110

Figura 43 – Ensaio de microdureza convencional – comparação entre os valores de dureza do material base laminado e superfície usinada a laser da Liga Ti-6Al-4V

(grau 5). .........................................................................................................................111

Figura 44 – Ilustração da seqüência de pontos realizados na superfície de corte da liga Ti-6Al-4V usinada a laser com gás nitrogênio (amostra Ti64laser). ............111

Figura 45 – Sobreposição dos difratogramas de raios-X, alguns picos de TiN e Ti estão demarcados: ......................................................................................................112

Figura 46 – Difratograma de raios-X do titânio puro grau 2 laminado. .......................113

Figura 47 – Difratograma de raios-X da superfície usinada a laser do titânio puro grau 2.............................................................................................................................113

Figura 48 – Difratograma de raios-X material laminado da liga Ti-6Al-4V grau 5. ...114

Figura 49 – Difratograma de raios-X superfície usinada a laser da liga Ti-6Al-4V grau 5......................................................................................................................................114

Figura 50 – Ensaio de microdureza convencional – comparação entre os valores de dureza da superfície de corte usinada a laser sob diferentes gases (série 6804

amostras). .....................................................................................................................117

Figura 51 – Diagrama cristalográfico: comparação entre cortes com gás nitrogênio, argônio e hélio..............................................................................................................117

Figura 52 – Micrografia da zona de ressolidificação e ZTA – formação de martensita.

........................................................................................................................................118

Figura 53 – MEV da zona de ressolidificação e ZTA – formação de martensita. .....118

Figura 54 – Ensaio de microdureza convencional da superfície usinada a laser da Liga Ti-6Al-4V (amostra 6804-B). .............................................................................119

Figura 55 – Ilustração da seqüência de pontos realizados na superfície de corte da liga Ti-6Al-4V usinada a laser com gás nitrogênio (amostra 6804-B).................119

Figura 56 - Micrografia com a seqüência do teste e os valores médios de dureza da liga Ti-6Al-4V usinada a laser com gás argônio [amostra (6804-C)]. .................120

Figura 57 – Gráficos da carga pela profundidade de penetração, Dureza pela carga e Módulo de Elasticidade pela carga para o ensaio de microdureza instrumentada

(amostra 6804 – C)......................................................................................................121

Figura 58 - Variação Rugosidade x Energia (a). Variação Rebarba x Energia (b)...125

Figura 59 – Variação Rugosidade x Taxa de sobreposição de pulsos (a).................125

Figura 60 – Gráfico de influência para cada parâmetro em resposta a rebarba - (6

fatores). .........................................................................................................................128

Figura 61 – Diagrama de influência individual e das interações para DOE com 6

fatores............................................................................................................................128

Figura 62 – Aderência de rebarba na borda de corte (a) na pior condição (b) melhor resultado para DOE com 6 fatores. ..........................................................................129

Figura 63 – Gráfico de influência para cada parâmetro em resposta a rebarba - (4

fatores). .........................................................................................................................132

Figura 64 - Diagrama de influência individual e das interações para DOE com 4

fatores............................................................................................................................132

Figura 65 – Comparação entre planejamento experimental de 6 e 4 fatores............133

Figura 66 – Fotografia da superfície de corte (a) na pior condição (b) melhor resultado para DOE com 4 fatores. ..........................................................................134

Figura 67 – Gráfico comparativo da quantidade de rebarbas entre DOE com 6 e 4

fatores............................................................................................................................134

Figura 68 – Diagramas de influência para DOE 4 fatores na LASAG: .......................137

Figura 69 – Micrografia com a seqüência do teste e os valores médios de dureza da liga Ti-6Al-4V usinada a laser com gás argônio [amostra CPML Y(30)]. ...........141

Figura 70– Gráficos da carga pela profundidade de penetração, Dureza pela carga e Módulo de Elasticidade pela carga do 1º ao 3° ensaio de microdureza

instrumentada [amostra CPML Y(30)]......................................................................142

Figura 71– Gráficos da carga pela profundidade de penetração, Dureza pela carga e Módulo de Elasticidade pela carga para o 4° e 5º ensaio de microdureza

instrumentada [amostra CPML Y(30)]......................................................................143

Figura 72 – Comparação entre pior e melhor condição de material ressolidificado aderido (Borda a).........................................................................................................144

Figura 73 - Material ressolidificado aderido (Borda b) entre pior e melhor condição de corte. ..............................................................................................................................144

Figura 74 – Detalhe da rebarba aderida entre pior e melhor condição de corte.......144

Figura 75 – (MEV) Detalhe da microestrutura na amostra de menor rebarba. .........145

Figura 76 – (MEV) Detalhe da microestrutura na amostra de maior rebarba............145

Figura 77 – Diagramas de influência para DOE: (A) 6 fatores; (B) 4 fatores (CPML).

........................................................................................................................................148

Figura 78 – Diagramas de influência para DOE 4 fatores na LASAG: .......................154

Figura 79 – Superfície de corte – diferença de rugosidade..........................................154

LISTA DE TABELAS

Tabela 1 – Elementos estabilizadores do Titânio.............................................................27

Tabela 2 – Teores da composição do Ti c.p pela norma ASTM F67............................29

Tabela 3 – Comparação do preço entre materiais...........................................................35

Tabela 4 - Distribuição do consumo de titânio pelo mercado de aplicação.................35

Tabela 5 – Causas mais comuns de falhas em implantes metálicos62.........................39

Tabela 6 – Comparação entre diferentes sistemas de corte85,. .....................................53

Tabela 7 – Guia para a construção do planejamento experimental..............................73

Tabela 8 – Arranjo geral para projeto fatorial com 2 fatores17. ......................................75

Tabela 9 – Tabela de erros para o teste de hipóteses108................................................76

Tabela 10 – Análise de variância baseado na soma dos quadrados. ..........................78

Tabela 11 – Exemplo da Tabela (+/-) do projeto fatorial 2(3). .........................................79

Tabela 12 – Combinações lineares para projeto fatorial fracionado 2(3-1)....................80

Tabela 13 – Composição química dos materiais..............................................................82

Tabela 14 – Propriedades físico-químicas, térmicas e mecânicas do Ti c.p. (grau 2) e da liga Ti-6Al-4V (grau 5),.............................................................................................82

Tabela 15 – Composição química dos materiais analisados no IPEN e as normas

ASTM...............................................................................................................................84

Tabela 16 – Características da CPML. ..............................................................................85

Tabela 17 – Seleção inicial dos parâmetros fixos e variáveis........................................87

Tabela 18 – Variação dos parâmetros do laser, dimensão dos furos obtidos e vmax corte. ................................................................................................................................90

Tabela 19 – Grupo de amostras, suas velocidades e taxa de sobreposição para três condições diferentes de corte......................................................................................91

Tabela 20 – Tipo de análise, equipamento e instituição. ................................................94

Tabela 21 – Processamento da liga Ti-6Al-4V com diferentes gases inertes. ............95

Tabela 22 – Configuração do Projeto fatorial fracionado de 6 fatores..........................96

Tabela 23 – Configuração do Projeto fatorial de 4 fatores. ............................................97

Tabela 24 – Condições dos Ensaios de microdureza. ..................................................101

Tabela 25 – Relação das amostras submetidas ao ensaio de microdureza dinâmico.

........................................................................................................................................102

Tabela 26 – Relação dos valores de dureza convencional do conjunto 6804. .........116

Tabela 27 – Valores do ensaio de microdureza instrumentada na amostra 6804 - C.

........................................................................................................................................120

Tabela 28 – Quantidade de rebarba (mm2) medida para três energias e quatro taxas de sobreposição diferentes. .......................................................................................123

Tabela 29 – Rugosidade (μm) medida para três energias e quatro taxas de

sobreposição diferentes..............................................................................................123

Tabela 30 – Análise de variância para acabamento superficial das peças usinadas de titânio . .......................................................................................................................124

Tabela 31 – Modelo experimental ensaio DOE para 6 fatores a 2 níveis(Rebarba).127

Tabela 32 – Modelo experimental ensaio DOE para 4 fatores a 2 níveis (Rebarba).

........................................................................................................................................131

Tabela 33 – Modelo experimental ensaio DOE para 4 fatores a 2 níveis (LASAG-

Rebarba). ......................................................................................................................136

Tabela 34 – Margem de erro no processo de captura da rebarba. .............................139

Tabela 35 – Valores de microdureza instrumentada da amostra CPML- Y(30)........141

Tabela 36 – Dados coletados de rugosidade para ensaio DOE para 6 fatores a 2

níveis (CPML)...............................................................................................................146

Tabela 37 – Dados coletados de rugosidade para ensaio DOE para 4 fatores a 2

níveis (CPML)...............................................................................................................147

Tabela 38 – Dados coletados de rugosidade para ensaio DOE para 4 fatores a 2

níveis (LASAG). ...........................................................................................................147

Tabela 39 – Modelo experimental ensaio DOE para 6 fatores a 2 níveis

(Rugosidade). ...............................................................................................................149

Tabela 40 – Modelo experimental ensaio DOE para 4 fatores a 2 níveis

(Rugosidade). ...............................................................................................................150

Tabela 41 – Modelo experimental ensaio DOE para 4 fatores a 2 níveis (LASAG-

rugosidade)...................................................................................................................151

LISTA DE SIGLAS

ABNT

Associação Brasileira de Normas Técnica.

ANOVA

“Analysis of variance” – Análise de variância

ANVISA

Agência Nacional de Vigilância Sanitária.

ASTM

“American Society of Testing and Materials”

BPFPM’s

Boas Práticas de Fabricação de Produtos Médicos.

CAD “Computer

Aided

Desing” - Projeto Assistido por Computador

“Computer Aided Manufacturing” - Fabricação Assistida por

CAM

Computador

CAPES

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior

CCC

Estrutura cristalina cúbica de corpo centrado.

CCN

Centro do Combustível Nuclear

CCTM

Centro de Ciências e Tecnologia de Materiais

CLA

Centro de Aplicações a Laser

CNC

“Computer Numeric Control” - Controle Numérico Computadorizado

CNEN

Comissão Nacional de Energia Nuclear

CPML

Central de Processamento de Materiais a Laser

CTA

Centro-Geral de Tecnologia Aeroespacial

CTMSP

Centro Tecnológico da Marinha em São Paulo

DF

“Degree of freedom” – Grau de liberdade

DOE “Design

Of

Experiments”

- Projeto de Experimentos

EFO Divisão

fotônica

EPUSP

Escola Politécnica da Universidade de São Paulo

FAPESP

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo

FFC

“Fray-Farthing-Chen Cambridge Process”, método de processo do Ti

FINEP

Financiadora de Estudos e Projetos

Fo

Razão entre médias

HCP Estrutura

cristalina hexagonal compacta.

IEAv

Instituto de Estudos Avançados

IPEN

Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares

IPT

Instituto de Pesquisas Tecnológicas do Estado de São Paulo.

Laboratório de Desenvolvimento de Instrumentação e Combustível

LADICON

Nuclear

LCT

Laboratório de Caracterização Tecnológica

LFS

Laboratório de Fenômenos de Superfície

M2

Fator de qualidade do feixe

MEV ou SEM Microscopia eletrônica por varredura/ “Scanning electron microscopy”