Composition des matériaux et qualité de la découpe laser : Comprendre la relation

La technologie de la découpe laser a révolutionné le traitement des métaux, surpassant les méthodes traditionnelles par sa rentabilité, ses taux de production rapides, sa précision et sa qualité supérieure. Cette technique avancée est devenue indispensable pour fabriquer de l'acier au carbone, de l'acier inoxydable, du cuivre, de l'aluminium et divers métaux non ferreux, et s'est imposée comme une pierre angulaire de la métallurgie moderne.

Malgré son adoption généralisée, la découpe au laser est confrontée à certains défis. Un problème notable se pose lors du traitement de plaques d'acier au carbone d'épaisseur identique mais de compositions différentes, en utilisant des paramètres de découpe laser cohérents. La qualité de la surface découpée qui en résulte présente des variations significatives, ce qui met en évidence l'interaction complexe entre les propriétés des matériaux et les interactions entre le laser et les matériaux.

Pour élucider la relation entre la composition de la plaque et la qualité de la découpe, des études approfondies ont été menées. Ces études ont utilisé des plaques d'acier au carbone d'épaisseurs et de compositions chimiques diverses, en employant des lasers à fibre de haute puissance allant de 6 à 30 kW. Les expériences ont exploré les processus de découpe assistés par l'oxygène et par l'air, ce qui a permis d'obtenir un large éventail de données pour l'analyse.

Cette recherche vise à optimiser les paramètres de découpe laser pour des compositions de matériaux spécifiques, en améliorant la qualité de la découpe et l'efficacité du processus. Il est essentiel de comprendre ces nuances pour obtenir des résultats cohérents et de haute qualité dans diverses nuances d'acier au carbone, afin d'améliorer la précision de la fabrication et de réduire les déchets de matériaux dans les applications industrielles.

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1. Matériel et méthodes expérimentales

1.1 Matériel expérimental

L'expérience a été réalisée à l'aide d'un laser à fibre de 30KW, qui est un laser multimode à sortie continue avec une longueur d'onde de faisceau de 1080nm et un diamètre de cœur de 150 μm. L'expérience a été réalisée avec un laser à fibre 30KW. tête de laser utilisée dans l'expérience était la tête laser Genius 30 (30KW).

La longueur focale du quasi-diamètre de la tête laser était de 100 mm et le miroir de focalisation avait une longueur focale de 200 mm, ce qui permettait une mise au point automatique. Pour assurer un fonctionnement stable du laser à fibre de 30 kW et maintenir ses performances optimales, un refroidisseur d'eau d'une capacité de refroidissement de 70,0 kW a été utilisé comme équipement auxiliaire.

Fig. 1 - Laser expérimental, tête du laser

1.2 Matériaux auxiliaires

Pour garantir la précision, l'efficacité et la clarté des données expérimentales, les matériaux d'essai utilisés dans cette expérience étaient des plaques d'acier au carbone de différentes épaisseurs, notamment Q235, Q345et l'acier au carbone Q460. Pour plus de détails, veuillez vous référer à la fiche technique de la plaque expérimentale.

Le gaz auxiliaire utilisé était de l'oxygène 99,9%, avec une pression d'alimentation en air de 5 bars. Pour garantir un nombre suffisant de buses, les buses énumérées dans la fiche technique des buses expérimentales ont été préparées pour l'expérience.

Tableau 1 Fiche technique de la plaque expérimentale

Tableau 2 Fiche technique de la buse expérimentale

1.3 Méthodes expérimentales

Sous réserve que la qualité du spot de l'équipement (la fibre optique et la tête laser étaient propres et non endommagées, ce qui a été vérifié par un test sur papier photo), la pression de l'air (l'oxygène a été maintenu à un niveau stable de 5 bars et l'air a été maintenu à un niveau stable de 11 bars) et les lentilles internes de la tête laser (propres, exemptes de saleté et de traces de brûlures) soient normales, les modules internes ont été contrôlés par le logiciel de contrôle interne du laser et la puissance de sortie maximale a été ajustée à 12KW, 20KW et 30KW, respectivement.

Des expériences de découpe ont été réalisées sur différents types et épaisseurs de plaques décrits dans le tableau 1, dans les trois états de puissance mentionnés ci-dessus. Le périmètre de l'échantillon découpé était de 205,6 mm, comme le montre la figure 2.

Les échantillons coupés ont été analysés et comparés en examinant la densité de porosité, la rugosité et les paramètres de traitement correspondants sur la surface des échantillons coupés.

Fig. 2 - Schéma de l'échantillon de coupe

2. Résultats des tests

2.1 Analyse des paramètres de coupe

Au cours de l'expérience, les cinq facteurs affectant la vitesse de coupe (puissance du laserLa pression du gaz de coupe, la focalisation et l'ouverture de la buse ont été prises en considération pour garantir que les échantillons se détachent automatiquement après la coupe, sans scories, sans brûlures, sans gouttelettes, et qu'ils présentent une finition de surface élevée. Les paramètres du processus ont été ajustés pour obtenir le meilleur effet de coupe pour différents matériaux et épaisseurs.

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Voir le tableau 3 pour les paramètres spécifiques.

Tableau 3 Tableau des paramètres expérimentaux

2.1.1 Analyse de la vitesse de coupe

Les données du tableau 3 montrent que, avec une puissance laser de 20KW comme base d'essai, les vitesses de coupe des plaques d'une épaisseur de 20 mm et de 30 mm en Q345, 45# acierNM400 et T10 ont été comparées, comme le montre la figure 3.

Avec la même puissance laser, la même épaisseur de tôle et l'oxygène comme gaz auxiliaire, la tôle T10 avait la vitesse de coupe la plus lente, tandis que la tôle NM400 avait la vitesse la plus rapide. Il n'y avait pas de différence significative entre les vitesses de coupe de l'acier Q345 et de l'acier 45#.

On peut conclure que la teneur en carbone du matériau de coupe a l'impact le plus important sur la vitesse de coupe. Au fur et à mesure que la teneur en carbone du matériau de coupe augmente, la vitesse de coupe diminue. teneur en carbone dans la tôle augmente, la vitesse de coupe de la tôle d'épaisseur égale diminue progressivement. De même, lorsque la teneur en éléments rares (tels que Cr, Ni) de la plaque augmente, la vitesse de coupe diminue progressivement.

Fig. 3-20KW Comparaison de la vitesse de coupe

2.1.2 Analyse de la pression d'air auxiliaire

Découpe au laser L'acier au carbone avec de l'oxygène comme gaz auxiliaire fonctionne en utilisant l'énergie générée par la source de lumière laser et la réaction d'oxydation pendant le processus de coupe.

Il est évident que la pression d'oxygène a un effet significatif sur les différents types de plaques.

Le tableau 4 des données de processus de découpe de 20 mm et 30 mm de Q345, d'acier 45# et de T10 avec un laser de 20 kW, comme indiqué dans le tableau 3, révèle que pour différents types de plaques de même épaisseur, la pression du gaz auxiliaire augmente à mesure que la teneur en carbone des plaques augmente, pour obtenir des résultats de découpe optimaux.

Fig. 4-20KW Diagramme de comparaison de la pression d'air auxiliaire

2.1.3 Analyse des coupes

Les données du test précédent montrent que lors de la découpe de Q235, Q345, 45# et T10 avec la même épaisseur et en utilisant de l'oxygène comme gaz auxiliaire de découpe, l'acier 45# et l'acier T10 contiennent plus de carbone que le Q235 et le Q345.

Pendant le processus de coupe, un grand nombre de pores de dioxyde de carbone se forment à la surface, ce qui rend la surface rugueuse.

L'effet de coupe reste inchangé lorsque la focalisation de la coupe change dans une fourchette de ±1, de sorte que la focalisation peut être réduite pour améliorer la vitesse de coupe. Toutefois, l'effet de coupe du Q235 et du Q345 est sensible à la focalisation de la coupe, ce qui ne leur confère pas cet avantage.

2.2 Analyse de l'effet du commissionnement

Le tableau ci-dessous présente les résultats de la découpe de différents types et épaisseurs de plaques en utilisant divers gaz auxiliaires et puissances de coupe.

Comme le montre le tableau 4, il est évident que les effets de coupe de différents types de plaques de même épaisseur ont été comparés en utilisant la même puissance de coupe.

Les résultats indiquent une différence significative dans les rugosité de la surface entre les échantillons découpés dans différents matériaux, l'échantillon Q345B présentant le meilleur effet de coupe. La peau d'oxyde superficielle était fine et la rugosité de la surface était minime.

D'autre part, la peau d'oxyde sur la surface de coupe de l'échantillon NM400 présentait une stratification évidente. La partie supérieure de la surface de coupe était lisse, tandis que la partie inférieure présentait une peau d'oxyde plus épaisse, ce qui se traduisait par une rugosité de surface plus élevée pour l'échantillon.

La coupe de l'échantillon 45# était rugueuse, avec une protubérance évidente de la peau d'oxyde sur la face inférieure.

L'échantillon T10 présentait le moins bon effet de coupe, avec une surface rugueuse, de nombreux pores et une peau d'oxyde visible sur la face inférieure.

En comparaison, les surfaces de coupe Q345B, NM400 et 45# présentaient une meilleure rugosité de surface de la peau d'oxyde que la tôle T10.

Tableau 4 Tableau des effets expérimentaux

2.2.1 Analyse du point de fusion des matériaux

Cette expérience a testé quatre types de matériaux : Plaques d'acier au carbone Q235, Q345B, NM400 et 45#. Leur teneur en carbone est respectivement de 0,22%, 0,20%, 0,25% et 0,47%.

En examinant les diagramme de phase fer-carbone dans la figure 5, on peut observer que la température du point de fusion de ces quatre matériaux est d'environ 1500°C.

Découpe au laser d'acier au carbone utilise le laser comme source de chaleur de préchauffage et l'oxygène comme gaz auxiliaire. Cela crée une réaction d'oxydation hautement exothermique avec les matériaux, libérant une quantité importante d'énergie d'oxydation (comme le montre la formule suivante).

Fe+O→FeO+heat(257.58kJ/mol)2Fe+1.5O₂→Fe₂O₃+chaleur(826,72kJ/mol)

Il a été établi que la température à l'endroit du traitement de la plaque a dépassé 1726,85°C en raison de l'énergie libérée par le laser et du processus d'oxydation pendant le traitement. traitement au laser. Cette température est nettement plus élevée que les points de fusion des matériaux Q235, Q345B, NM400 et 45#.

Sur la base de cette analyse, on peut conclure que les points de fusion de ces matériaux ont un impact limité sur l'effet de la couche d'oxyde sur la surface après la coupe.

Fig. 5 - Diagramme de phase Fe-C

2.2.2 Analyse de la composition chimique des matériaux

La composition chimique des différentes plaques d'acier utilisées dans cette expérience a été déterminée à l'aide d'un analyseur de spectre. Les résultats sont présentés dans le tableau 5.

Tableau 5 Analyse des éléments chimiques

1) Analyse du contenu en éléments Mn

D'après le tableau 5, qui compare les éléments du Q235 et du Q345B, les deux matériaux sont classés comme des aciers à faible teneur en carbone. La teneur des autres éléments dans les matériaux n'est pas significativement différente, à l'exception de la teneur en manganèse, qui est de 0,65% pour le Q235 et de 1,70% pour le Q345B. Cette différence de teneur en manganèse sert de référence pour explorer la relation entre la qualité de la découpe au laser et la teneur en manganèse du matériau.

Les effets de la surface de coupe des deux matériaux sont illustrés à la figure 6. Les résultats montrent que la surface est propre et brillante, avec une rugosité de surface similaire, et que les paramètres expérimentaux ont été maintenus constants.

Sur la base de ces résultats, on peut conclure que l'élément Mn a un faible impact sur l'effet de découpe laser de l'acier conventionnel à faible teneur en carbone.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Fig. 6

2) Analyse du contenu des éléments S

Les données fournies dans le tableau montrent que la différence maximale dans la teneur en éléments soufrés (S) entre les feuilles n'est que de 0,05%. Cette information n'est pas suffisante pour déterminer l'impact de la teneur en éléments S sur la qualité de coupe.

Une analyse plus poussée des données révèle que lorsque la teneur en manganèse (Mn) et en soufre (S) de la plaque est d'environ 0,5% et 0,25% respectivement, le laitier au bas de la surface de coupe augmente avec l'épaisseur de la plaque, ce qui entraîne une diminution progressive de la qualité de coupe.

Tableau 6 Comparaison des éléments S et Mn

3) Analyse du contenu des éléments Si

Il a été observé que lorsque la teneur en silicium (Si) de la plaque métallique est inférieure à 0,25%, la vitesse de coupe du carbone tôle d'acier avec une teneur en Si supérieure à 0,25% est plus lent de plus de 20% par rapport à celui d'une tôle d'acier au carbone avec une teneur en Si inférieure à 0,25%. En outre, une quantité substantielle de scories est produite au bas de la plaque.

4) Analyse du contenu de l'élément C

En comparant la teneur en éléments du Q235, du 45# et du T10, on constate que le Q235 est classé comme un acier à faible teneur en carbone, le 45# comme un acier à teneur moyenne en carbone et le T10 comme un acier à forte teneur en carbone.

En examinant le tableau des éléments, on constate que les seules différences significatives concernent le carbone (C) et le manganèse (Mn).

À haute température et avec suffisamment d'oxygène comme gaz auxiliaire, le carbone réagit avec l'oxygène de la manière suivante :

C+O₂→CO₂(g)（393.5KJ/mol）

L'analyse théorique montre que lorsque la teneur en carbone du matériau augmente, la quantité de gaz carbonique produite par la réaction d'oxydation augmente également en présence d'oxygène comme gaz auxiliaire, ce qui entraîne une augmentation du nombre de pores sur la surface de coupe du matériau.

La figure 4 montre que lorsque la teneur en carbone interne de l'acier Q235, 45# et T10 augmente, le nombre de pores sur la surface de coupe augmente également de manière correspondante.

Fig. 7 - Graphique de comparaison de la teneur en carbone des matériaux

Lors de la comparaison initiale des matériaux Q235 et Q345B, il a été constaté que la teneur en manganèse (Mn) n'avait qu'un impact minime sur l'effet de coupe réel et pouvait être négligée.

La figure 8 montre l'effet de coupe réel des trois matériaux de même épaisseur. Les résultats montrent que la surface du Q235 est brillante et peu rugueuse, que la surface du 45# est rugueuse avec une peau d'oxyde beaucoup plus épaisse au fond, et que la surface du T10 est la plus rugueuse avec la peau d'oxyde la plus épaisse.

Les résultats des tests réels permettent de conclure que la teneur en carbone du matériau a un impact notable sur l'effet de coupe. Lorsque la teneur en carbone augmente, le nombre de pores sur la surface de coupe augmente, l'épaisseur de la peau d'oxyde superficielle s'accroît et la rugosité de la surface augmente.

Fig. 8-Q235-30kw-40mm (gauche), 45 # - 30kw-40mm (milieu), T10-30kw (droite)

5) Analyse du contenu en éléments Ni

Le tableau 7 présente les types et les teneurs en éléments chimiques des matériaux Q235 et Q460. La différence de teneur en nickel (Ni) entre les deux matériaux est évidente.

Par conséquent, des essais de coupe ont été effectués sur des plaques de même épaisseur pour les deux matériaux. Les résultats de la qualité de coupe réelle sont présentés à la figure 10.

Il n'y a pas de différence notable dans les stries de surface, l'épaisseur de la peau d'oxyde et la rugosité de la surface.

Sur la base de ces résultats, on peut conclure que dans l'acier conventionnel à faible teneur en carbone, la teneur en nickel n'a pas d'impact significatif sur la qualité de coupe des lasers à haute puissance.

Fig. 9 - Tableau de comparaison de la teneur en nickel des matériaux

Tableau 7 Comparaison des éléments du nickel

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Fig. 10

6) Analyse du contenu des éléments de base

Si l'on compare la teneur en éléments des tôles, on observe que la teneur en chrome (Cr) des matériaux NM400 et Q690 est significativement plus élevée que celle des autres matériaux, comme le montre la figure 4.2-5.

Fig. 11 Tableau de comparaison de la teneur en chrome des matériaux

Au cours de la processus de découpe au laserLa plupart des éléments de la plaque s'oxyderont avec le gaz auxiliaire, l'oxygène, et dégageront une grande quantité de chaleur lorsque le laser dégagera de la chaleur. Il en résulte la formation d'une importante zone affectée thermiquement à la surface de la plaque.

Dans cette zone affectée thermiquement, le chrome (Cr) de la plaque s'oxyde avec l'oxygène et produit du Cr₂O₃ et d'autres oxydes, qui augmentent avec la température locale. L'oxyde croît progressivement et forme une structure granulaire en forme de grappe, comme le montre la figure 12.

Au fil du temps, un Cr₂O₃ Une peau d'oxyde à forte contrainte de surface et moins susceptible de se fissurer se forme sur la surface de l'acier. découpe des métaux ce qui empêche la réaction d'oxydation entre les éléments situés sous la surface du Cr₂O₃ et l'oxydation de l'O₂ (comme le montre la figure 13). Il en résulte une rugosité de surface très faible sur les faces inférieures des surfaces de coupe NM400 et Q690 (comme le montre la figure 14).

On peut conclure que l'effet de coupe s'aggrave avec l'augmentation de la teneur en Cr dans le matériau et que la peau d'oxyde au fond de l'échantillon devient plus épaisse.

Fig. 12 - Diagramme de phase des particules en grappe

Fig. 13 - Diagramme d'analyse de la couche d'oxyde de la surface de coupe au laser

Présentoir à effet de coupe 20mm NM400

Présentoir à effet de coupe 20mm Q690

Fig. 14

2.3 Analyse de la zone affectée thermiquement

Il est entendu que la qualité de la découpe au laser est liée à la zone affectée thermiquement à la surface de la plaque découpée. Lorsque la zone affectée par la chaleur n'est pas contrôlée, elle peut provoquer des distorsions, des fissures, une fragilité, etc. à la surface de la plaque découpée.

D'après la comparaison des données de la figure 15, on sait que la puissance de coupe du laser est le principal facteur influençant la largeur de la fente de coupe, et que la vitesse de coupe est le principal facteur influençant les stries et la rugosité de la surface de coupe.

Par conséquent, lors de la découpe au laser, il est recommandé d'ajuster autant que possible les paramètres du processus pour minimiser la zone affectée thermiquement à la surface de la plaque, afin de réduire la déformation et l'enrichissement des composants.

Fig. 15 - Influence de la puissance et de la vitesse sur le trait de scie et la surface de coupe

Au cours du processus d'essai, les paramètres du processus de coupe ont été optimisés pour garantir des surfaces de coupe lisses et la chute libre d'échantillons de types et d'épaisseurs différents.

A puissance de coupe égale, il n'y a pas de différence substantielle dans la largeur des fentes entre les différents types et avec la même épaisseur.

Par conséquent, la zone affectée thermiquement des matériaux de même épaisseur est similaire sous la même puissance, ce qui n'a qu'un impact mineur sur la rugosité réelle de la surface et peut être négligé.

3. Conclusion

Les facteurs qui influencent la qualité de coupe de l'acier au carbone par oxycoupage comprennent la composition des alliages, la microstructure du matériau, la conductivité thermique, le point de fusion et le point d'ébullition.

Les métaux à forte teneur en carbone ont généralement un point de fusion élevé, ce qui les rend difficiles à fondre et augmente le temps de coupe et de perçage.

Il en résulte un trait de scie plus large et une zone de surface affectée par la chaleur plus étendue, ce qui entraîne une qualité de coupe instable.

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En outre, une teneur élevée en alliage augmente la viscosité du métal liquide et accroît le rapport entre les éclaboussures et les scories, ce qui impose des exigences plus élevées en matière de réglage de la puissance du laser et de la pression de soufflage de l'air pendant le traitement.

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Les essais ci-dessus montrent que lorsque l'oxygène est utilisé comme gaz auxiliaire, l'effet de la surface de coupe se détériore et la rugosité de la surface augmente de manière significative à mesure que la teneur en éléments C et Cr du matériau augmente. En revanche, lorsque l'air est utilisé comme gaz auxiliaire, l'effet de coupe reste largement inchangé à épaisseur et puissance égales.

Pour garantir la qualité et l'efficacité de la coupe, les types de gaz auxiliaires recommandés pour les différentes puissances de coupe et les différents matériaux sont énumérés dans le tableau suivant :

1. Impact de la teneur en carbone :

Avec la même puissance laser, la vitesse de coupe diminue progressivement à mesure que la teneur en carbone augmente, tandis que la surface de l'échantillon devient plus rugueuse, que la peau d'oxyde s'épaissit et que l'effet global se détériore, ce qui entraîne une réduction de la limite d'épaisseur des plaques découpées au laser.

2. Impact de la teneur en chrome :

Avec l'augmentation de la teneur en chrome, la peau d'oxyde au bas de la surface de l'échantillon s'accumule et s'épaissit sensiblement, ce qui rend la surface de coupe rugueuse de haut en bas.

3. Impact de la teneur en silicium :

Lorsque la teneur en silicium du matériau dépasse 0,25%, la vitesse de coupe diminue considérablement avec l'augmentation de la teneur en silicium, et des scories apparaissent au fond de l'échantillon de coupe.

4. Teneur en nickel :

La teneur en nickel a peu d'effet sur la qualité de l'acier. laser de haute puissance découpage.

5. Impact de la teneur en manganèse et en soufre :

Lorsque la teneur en manganèse et en soufre du matériau est respectivement de 0,5% et de 0,04%, le laitier au fond de la coupe augmente progressivement avec l'épaisseur de la tôle.