Composición del material y calidad del corte por láser: Comprender la relación

La tecnología de corte por láser ha revolucionado el procesamiento de metales, superando a los métodos tradicionales por su rentabilidad, rapidez de producción, precisión y calidad superior. Esta avanzada técnica se ha convertido en indispensable para fabricar acero al carbono, acero inoxidable, cobre, aluminio y diversos metales no ferrosos, y se ha establecido como piedra angular de la metalurgia moderna.

A pesar de su adopción generalizada, el corte por láser se enfrenta a ciertos retos. Un problema notable surge al procesar chapas de acero al carbono de idéntico grosor pero distinta composición utilizando parámetros de corte por láser constantes. La calidad de la superficie de corte resultante presenta variaciones significativas, lo que pone de relieve la compleja interacción entre las propiedades del material y las interacciones entre el láser y el material.

Para dilucidar la relación entre la composición de la chapa y la calidad del corte, se realizaron estudios exhaustivos. En estas investigaciones se utilizaron placas de acero al carbono de diversos grosores y composiciones químicas, empleando láseres de fibra de alta potencia que oscilaban entre 6 y 30 kW. Los experimentos exploraron procesos de corte asistidos tanto por oxígeno como por aire, proporcionando un amplio espectro de datos para el análisis.

El objetivo de esta investigación es optimizar los parámetros de corte por láser para composiciones de material específicas, mejorando la calidad del corte y la eficacia del proceso. Comprender estos matices es crucial para lograr resultados uniformes y de alta calidad en diversos grados de acero al carbono, mejorando en última instancia la precisión de fabricación y reduciendo el desperdicio de material en aplicaciones industriales.

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1. Equipos y métodos experimentales

1.1 Equipo experimental

El experimento se realizó con un láser de fibra de 30 kW, que es un láser multimodo de salida continua con una longitud de onda del haz de 1080 nm y un diámetro del núcleo de 150 μm. La dirección cabezal láser utilizado en el experimento fue el cabezal láser Genius 30 (30KW).

La distancia focal cuasi-diamétrica del cabezal láser era de 100mm, y el espejo de enfoque tenía una distancia focal de 200mm, lo que permitía el enfoque automático. Para garantizar un funcionamiento estable del láser de fibra de 30 kW y mantener su rendimiento óptimo, se utilizó como equipo auxiliar un refrigerador de agua con una capacidad de refrigeración de 70,0 kW.

Fig. 1 - Láser experimental, cabezal láser

1.2 Materiales auxiliares

Para garantizar la precisión, eficacia y claridad de los datos experimentales, los materiales de ensayo utilizados en este experimento fueron planchas de acero al carbono de diferentes espesores, incluido el Q235, Q345y acero al carbono Q460. Para más detalles, consulte la hoja de datos de la placa experimental.

El gas auxiliar utilizado fue oxígeno 99,9%, con una presión de suministro de aire de 5bar. Para garantizar un número suficiente de boquillas, se prepararon para el experimento las boquillas que figuran en la hoja de datos de boquillas experimentales.

Tabla 1 Hoja de datos de la placa experimental

Tabla 2 Hoja de datos de la tobera experimental

1.3 Métodos experimentales

Bajo la condición de que la calidad del punto del equipo (la fibra óptica y el cabezal láser estaban limpios y sin daños, verificado a través de una prueba de papel fotográfico), la presión del aire (el oxígeno se mantuvo a 5 bares estables, y el aire se mantuvo a 11 bares estables), y las lentes internas del cabezal láser (limpias, sin suciedad ni marcas de quemaduras) eran normales, los módulos internos se controlaron a través del software de control interno del láser, y la potencia máxima de salida se ajustó a 12KW, 20KW, y 30KW respectivamente.

Los experimentos de corte se realizaron en diferentes tipos y espesores de placas descritos en la Tabla 1, bajo los tres estados de potencia mencionados anteriormente. El perímetro de la muestra cortada fue de 205,6 mm, como se muestra en la Fig. 2.

Las muestras cortadas se analizaron y compararon examinando la densidad de porosidad, la rugosidad y los parámetros de proceso correspondientes en la superficie de las muestras cortadas.

Fig. 2 - Diagrama esquemático de la muestra de corte

2. 2. Resultados de las pruebas

2.1 Análisis de los parámetros de corte

Durante el experimento, los cinco factores que afectan a la velocidad de corte (potencia del láserse tuvieron en cuenta la presión del gas de corte, el enfoque y la apertura de la boquilla) para garantizar que las muestras después del corte se desprendieran automáticamente, sin escoria, quemaduras ni gotas, y tuvieran un acabado superficial elevado. Los parámetros del proceso se ajustaron para lograr el mejor efecto de corte para diferentes materiales y espesores.

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Véanse los parámetros específicos en el cuadro 3.

Tabla 3 Tabla de parámetros experimentales

2.1.1 Análisis de la velocidad de corte

Los datos de la Tabla 3 muestran que, con una potencia láser de 20KW como fondo de prueba, las velocidades de corte de placas con espesores de 20mm y 30mm hechas de Q345, 45# aceroNM400 y T10, como se muestra en la figura 3.

Con la misma potencia láser, espesor de placa y oxígeno como gas auxiliar, la placa T10 tuvo la velocidad de corte más lenta, mientras que NM400 tuvo la más rápida. No hubo diferencias significativas entre las velocidades de corte de los aceros Q345 y 45#.

Se puede concluir que el contenido de carbono en el material de corte tiene el impacto más significativo en la velocidad de corte. A medida que el contenido en carbono en la chapa aumenta, la velocidad de corte de la chapa con igual espesor disminuye gradualmente. Asimismo, a medida que aumenta el contenido de elementos raros (como Cr, Ni) en la placa, la velocidad de corte disminuye gradualmente.

Fig. 3-20KW Comparación de la velocidad de corte

2.1.2 Análisis de la presión del aire auxiliar

Corte por láser El acero al carbono con oxígeno como gas auxiliar funciona utilizando la energía generada por la fuente de luz láser y la reacción de oxidación durante el proceso de corte.

Es evidente que la presión de oxígeno tiene un efecto significativo en los distintos tipos de placas.

La Tabla 4 de los datos del proceso de corte de 20mm y 30mm de acero Q345, 45#, y T10 con un láser de 20KW, como se muestra en la Tabla 3, revela que para diferentes tipos de chapas con el mismo espesor, la presión del gas auxiliar aumenta a medida que aumenta el contenido de carbono en las chapas, para obtener unos resultados de corte óptimos.

Fig. 4-20KW Diagrama comparativo de presión de aire auxiliar

2.1.3 Análisis del enfoque de corte

Los datos de la prueba anterior muestran que al cortar acero Q235, Q345, 45# y T10 con el mismo espesor y utilizando oxígeno como gas auxiliar de corte, el acero 45# y el acero T10 contienen más carbono que el Q235 y el Q345.

Durante el proceso de corte, se forma un gran número de poros de dióxido de carbono en la superficie, lo que provoca una superficie rugosa.

El efecto de corte permanece invariable cuando el foco de corte cambia dentro de ±1, por lo que el foco puede reducirse para mejorar la velocidad de corte. Sin embargo, el efecto de corte de Q235 y Q345 es sensible al foco de corte, por lo que no tienen esta ventaja.

2.2 Análisis del efecto de la puesta en servicio

En la tabla siguiente se muestran los resultados del corte de diferentes tipos y espesores de chapas utilizando distintos gases auxiliares y potencias de corte.

Como se muestra en la Tabla 4, es evidente que los efectos de corte de diferentes tipos de placas con el mismo espesor se compararon utilizando la misma potencia de corte.

Los resultados indicaron una diferencia significativa en rugosidad superficial entre las muestras cortadas de diferentes materiales, siendo la muestra Q345B la que presentaba el mejor efecto de corte. La capa de óxido superficial era fina y la rugosidad de la superficie era mínima.

Por otra parte, la piel de óxido de la superficie de corte de la muestra NM400 mostraba una estratificación evidente. La parte superior de la superficie de corte era lisa, mientras que la inferior presentaba una piel de óxido más gruesa, lo que daba lugar a una mayor rugosidad superficial de la muestra.

El corte de la muestra 45# era rugoso, con una protuberancia evidente de la piel de óxido en la parte inferior.

La muestra T10 presentaba el peor efecto de corte, con una superficie rugosa, numerosos poros y una notable piel de óxido en la cara inferior.

En comparación, las superficies de corte de Q345B, NM400 y 45# tenían mejor rugosidad superficial de la piel de óxido que la placa T10.

Tabla 4 Tabla de efectos experimentales

2.2.1 Análisis del punto de fusión del material

En este experimento se probaron cuatro tipos de materiales: Placas de acero al carbono Q235, Q345B, NM400 y 45#. Su contenido en carbono es de 0,22%, 0,20%, 0,25% y 0,47% respectivamente.

Al examinar la diagrama de fases hierro-carbono en la Figura 5, se puede observar que la temperatura del punto de fusión de estos cuatro materiales es de aproximadamente 1500°C.

Corte por láser de acero al carbono utiliza el láser como fuente de calor de precalentamiento y el oxígeno como gas auxiliar. Esto crea una reacción de oxidación altamente exotérmica con los materiales, liberando una cantidad significativa de energía de oxidación (como se muestra en la siguiente fórmula).

Fe+O→FeO+heat(257.58kJ/mol)2Fe+1.5O₂→Fe₂O₃+calor(826.72kJ/mol)

Se ha establecido que la temperatura en el lugar de procesado de la placa ha superado los 1726,85°C debido a la energía liberada por el láser y al proceso de oxidación durante procesamiento láser. Esta temperatura es significativamente superior a los puntos de fusión de los materiales Q235, Q345B, NM400 y 45#.

Basándose en este análisis, se puede concluir que los puntos de fusión de estos materiales tienen un impacto limitado sobre el efecto de la cascarilla de óxido en la superficie después del corte.

Fig. 5 Diagrama de fase Fe-C

2.2.2 Análisis de la composición química de los materiales

La composición química de las diferentes placas de acero utilizadas en este experimento se determinó utilizando un analizador de espectro. Los resultados se muestran en la Tabla 5.

Tabla 5 Análisis de elementos químicos

1) Análisis del contenido de elementos de Mn

Según la Tabla 5, en la que se comparan los elementos del Q235 y el Q345B, ambos materiales se clasifican como aceros de bajo contenido en carbono. El contenido de otros elementos en los materiales no es significativamente diferente, excepto el contenido de manganeso, que es de 0,65% para el Q235 y de 1,70% para el Q345B. Esta diferencia en el contenido de manganeso sirve de referencia para explorar la relación entre la calidad del corte por láser y el contenido de manganeso en el material.

En la figura 6 se muestran los efectos de la superficie de corte de los dos materiales. Los resultados muestran que la superficie es limpia y brillante, con una rugosidad superficial similar, y los parámetros experimentales se mantuvieron constantes.

En base a estos resultados, se puede concluir que el elemento Mn tiene un ligero impacto en el efecto de corte por láser de acero convencional bajo en carbono.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Fig. 6

2) Análisis del contenido de los elementos S

Los datos proporcionados en la tabla muestran que la diferencia máxima en el contenido de elemento de azufre (S) entre las chapas es de sólo 0,05%. Esta información no es suficiente para determinar el impacto del contenido de elemento S en la calidad del corte.

Un análisis más detallado de los datos revela que cuando el contenido de manganeso (Mn) y azufre (S) en la placa se sitúa en torno a 0,5% y 0,25% respectivamente, la escoria en la parte inferior de la superficie de corte aumenta con el incremento del espesor de la placa, lo que conduce a una disminución gradual de la calidad de corte.

Cuadro 6 Comparación de los elementos S y Mn

3) Análisis del contenido de elementos de Si

Se ha observado que cuando el contenido de elemento silicio (Si) en la placa metálica es inferior a 0,25%, la velocidad de corte del carbono chapa de acero con un contenido de Si superior a 0,25% es más lento que el de la chapa de acero al carbono con un contenido de Si inferior a 0,25%. Además, se producirá una cantidad sustancial de escoria en la parte inferior de la placa.

4) Análisis del contenido del elemento C

Al comparar el contenido de elementos del Q235, el 45# y el T10, se observa que el Q235 se clasifica como acero de bajo contenido en carbono, el 45# como acero de contenido medio en carbono y el T10 como acero de alto contenido en carbono.

Examinando la tabla de elementos, se observa que las únicas diferencias significativas se dan entre el carbono (C) y el manganeso (Mn).

A alta temperatura y con suficiente oxígeno como gas auxiliar, el carbono reacciona con el oxígeno de la siguiente manera:

C+O₂→CO₂(g)（393,5KJ/mol）

El análisis teórico muestra que a medida que aumenta el contenido de carbono del material, la cantidad de gas de dióxido de carbono producido por la reacción de oxidación también aumentará en presencia de oxígeno como gas auxiliar, lo que provocará un aumento del número de poros en la superficie de corte del material.

La figura 4 ilustra que a medida que aumenta el contenido de carbono interno de los aceros Q235, 45# y T10, el número de poros en la superficie de corte también aumenta en consecuencia.

Fig. 7 - Cuadro comparativo del contenido de carbono de los materiales

Al comparar inicialmente los materiales Q235 y Q345B, se observó que el contenido de elementos de manganeso (Mn) tiene un impacto mínimo en el efecto de corte real y puede despreciarse.

La figura 8 muestra el efecto de corte real de los tres materiales con el mismo espesor. Los resultados muestran que la superficie de Q235 es brillante con poca rugosidad, la de 45# es rugosa con una piel de óxido bastante más gruesa en la parte inferior, y la de T10 es la más rugosa con la piel de óxido más gruesa.

A partir de los resultados reales de las pruebas, se puede concluir que el contenido de carbono en el material tiene un impacto notable en el efecto de corte. A medida que aumenta el contenido de carbono, aumenta el número de poros en la superficie de corte, el grosor de la piel de óxido superficial se hace más gruesa y la rugosidad de la superficie se hace mayor.

Fig. 8-Q235-30kw-40mm (izquierda), 45 # - 30kw-40mm (centro), T10-30kw (derecha)

5) Análisis del contenido de elementos de Ni

La tabla 7 muestra los tipos y contenidos de elementos químicos en los materiales Q235 y Q460. La diferencia en el contenido de elementos de níquel (Ni) entre los dos materiales es evidente.

En consecuencia, se realizaron pruebas de corte en placas del mismo espesor para ambos materiales. Los resultados de la calidad de corte real se muestran en la figura 10.

No hay diferencias apreciables en las estrías superficiales, el grosor de la capa de óxido y la rugosidad de la superficie.

Basándose en estos resultados, se puede concluir que en el acero convencional de bajo contenido en carbono, el contenido en níquel no tiene un impacto significativo en la calidad de corte de los láseres de alta potencia.

Fig. 9 - Cuadro comparativo del contenido de níquel en los materiales

Cuadro 7 Comparación de los elementos Ni

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Fig. 10

6) Análisis del contenido de elementos Cr

Al comparar el contenido de elementos en la chapa, se observa que el contenido de elementos de cromo (Cr) en los materiales NM400 y Q690 es significativamente mayor que en otros materiales, como se ilustra en la Figura 4.2-5.

Fig. 11 Cuadro comparativo del contenido de cromo en los materiales

Durante el proceso de corte por láserLa mayoría de los elementos de la placa se oxidarán con el gas auxiliar, el oxígeno, y liberarán una gran cantidad de calor cuando el láser libere calor. Esto da lugar a la formación de una importante zona afectada por el calor en la superficie de la placa.

En esta zona afectada por el calor, el cromo (Cr) de la placa se oxidará con el oxígeno y producirá Cr₂O₃ y otros óxidos, que aumentarán con la temperatura local. El óxido crece gradualmente y forma una estructura granular en forma de racimo, como se muestra en la figura 12.

Con el tiempo, un Cr₂O₃ piel de óxido con alta tensión superficial y menos propensa a la formación de grietas en el corte de metales lo que impide la reacción de oxidación entre los elementos situados bajo el Cr₂O₃ y O₂ (como se muestra en la figura 13). Esto da como resultado una rugosidad superficial significativamente pobre en la parte inferior de las superficies de corte NM400 y Q690 (como se ve en la Figura 14).

Se puede concluir que el efecto de corte empeora con el aumento del contenido de Cr en el material y la piel de óxido en el fondo de la muestra se hace más gruesa.

Fig. 12 - Diagrama de fases de partículas agrupadas

Fig. 13 - Diagrama de análisis de la capa de óxido de la superficie de corte por láser

Pantalla de efecto de corte 20mm NM400

Expositor con efecto de corte 20mm Q690

Fig. 14

2.3 Análisis de la zona afectada por el calor

Se entiende que la calidad del corte por láser está relacionada con la zona afectada por el calor en la superficie de la placa que se está cortando. Cuando la zona afectada por el calor no está controlada, puede causar distorsiones, grietas, fragilidad, etc. en la superficie de la placa cortada.

Según la comparación de datos de la Figura 15, se sabe que la potencia de corte del láser es el principal factor que afecta a la anchura de la hendidura de corte, y la velocidad de corte es el principal factor que afecta a las estrías y la rugosidad de la superficie de corte.

Por lo tanto, en el corte por láser, se recomienda ajustar al máximo los parámetros del proceso para minimizar el área de la zona afectada por el calor en la superficie de la placa, con el fin de reducir la deformación y el enriquecimiento de los componentes.

Fig. 15 - Influencia de la potencia y la velocidad en la sangría y la superficie de corte

Durante el proceso de prueba real, se optimizaron los parámetros del proceso de corte para garantizar superficies de corte lisas y la caída libre de muestras de distintos tipos y grosores.

Con la misma potencia de corte, no hay diferencias sustanciales en la anchura de las hendiduras entre los distintos tipos y con el mismo grosor.

Como resultado, el área de la zona afectada por el calor de materiales con el mismo grosor es similar bajo la misma potencia, teniendo sólo un impacto menor en la rugosidad real de la superficie y puede despreciarse.

3. Conclusión

Los factores que influyen en la calidad de corte del acero al carbono mediante oxicorte incluyen la composición de las aleaciones, la microestructura del material, la conductividad térmica, el punto de fusión y el punto de ebullición.

Los metales con alto contenido en carbono suelen tener puntos de fusión elevados, lo que dificulta su fusión y aumenta el tiempo de corte y perforación.

El resultado es un corte más ancho y una zona superficial afectada por el calor más amplia, lo que provoca una calidad de corte inestable.

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Además, un alto contenido de composición de aleación aumenta la viscosidad del metal líquido y eleva la proporción de salpicaduras y escoria, lo que impone mayores exigencias en el ajuste de la potencia del láser y la presión de soplado de aire durante el procesamiento.

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Las pruebas anteriores muestran que cuando se utiliza oxígeno como gas auxiliar, el efecto de la superficie de corte empeora y la rugosidad de la superficie aumenta significativamente a medida que aumenta el contenido de elementos C y Cr en el material. Por otro lado, cuando se utiliza aire como gas auxiliar, el efecto de corte permanece prácticamente inalterado con el mismo espesor y potencia.

Para garantizar la calidad y la eficacia del corte, en la tabla siguiente se indican los tipos de gas auxiliar recomendados para las distintas potencias de corte y materiales:

1. Impacto del contenido de carbono:

Con la misma potencia de láser, a medida que aumenta el contenido de carbono, la velocidad de corte disminuye gradualmente, mientras que la superficie de la muestra se vuelve más rugosa, la piel de óxido se hace más gruesa y el efecto global se deteriora, lo que conduce a una reducción del límite de espesor de las placas de corte por láser.

2. Impacto del contenido de cromo:

Al aumentar el contenido de cromo, la piel de óxido de la parte inferior de la superficie de la muestra se acumula y engrosa notablemente, haciendo que la superficie de corte se vuelva rugosa de arriba abajo.

3. Impacto del contenido de silicio:

Cuando el contenido de silicio en el material es superior a 0,25%, la velocidad de corte disminuye significativamente con el aumento del contenido de silicio, y aparece escoria en el fondo de la muestra de corte.

4. Contenido en níquel:

El contenido de níquel apenas influye en la calidad del láser de alta potencia cortar.

5. Impacto del contenido de manganeso y azufre:

Cuando el contenido de manganeso y azufre en el material es de 0,5% y 0,04% respectivamente, la escoria en el fondo del corte aumenta gradualmente a medida que aumenta el espesor de la chapa.