Composição do material e qualidade do corte a laser: Compreender a relação

A tecnologia de corte a laser tem vindo a substituir gradualmente os métodos tradicionais de processamento de metal devido ao seu baixo custo de processamento, eficiência de produção rápida, precisão de corte exacta e excelente qualidade de processamento. Esta tecnologia é amplamente utilizada no processamento de aço carbono, aço inoxidável, cobre, alumínio e outros metais não ferrosos e é considerada insubstituível nestes domínios.

No entanto, com a utilização generalizada da tecnologia de corte a laser, surgiram alguns problemas. Um dos problemas mais significativos é o facto de, ao cortar chapas de aço-carbono com a mesma espessura e diferentes composições, utilizando a mesma máquina de corte a laser e os mesmos parâmetros do processo de corte, existirem diferenças visíveis na qualidade da superfície dos cortes.

Para compreender o impacto da composição da chapa na qualidade do corte, foram realizados testes em chapas de aço-carbono com diferentes espessuras e composições, utilizando lasers de fibra com potências entre 6 e 30KW, e cortando com oxigénio e ar.

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1. Equipamento e métodos experimentais

1.1 Equipamento experimental

A experiência foi realizada com um laser de fibra de 30KW, que é um laser multimodo de saída contínua com um comprimento de onda de 1080nm e um diâmetro de núcleo de 150 μm. O cabeça do laser utilizada na experiência foi a cabeça de laser Genius 30 (30KW).

A distância focal de quase-diâmetro da cabeça do laser era de 100 mm e o espelho de focagem tinha uma distância focal de 200 mm, o que permitia a focagem automática. Para garantir o funcionamento estável do laser de fibra de 30KW e manter o seu desempenho ótimo, foi utilizado um refrigerador de água com uma capacidade de arrefecimento de 70,0KW como equipamento auxiliar.

Fig. 1 - Laser experimental, cabeça do laser

1.2 Materiais auxiliares

Para garantir a exatidão, a eficiência e a clareza dos dados experimentais, os materiais de ensaio utilizados nesta experiência foram chapas de aço-carbono de diferentes espessuras, incluindo Q235, Q345e aço-carbono Q460. Para mais pormenores, consultar a folha de dados da placa experimental.

O gás auxiliar utilizado foi o oxigénio 99,9%, com uma pressão de alimentação de ar de 5 bar. Para garantir um número suficiente de bicos, foram preparados para a experiência os bicos indicados na folha de dados dos bicos experimentais.

Quadro 1 Folha de dados da placa experimental

Quadro 2 Folha de dados do bico experimental

1.3 Métodos experimentais

Sob a condição de que a qualidade do ponto do equipamento (a fibra ótica e a cabeça do laser estavam limpas e sem danos, verificada através de um teste de papel fotográfico), a pressão do ar (o oxigénio foi mantido a 5 bar estáveis e o ar foi mantido a 11 bar estáveis) e as lentes internas da cabeça do laser (limpas, sem sujidade e sem marcas de queimadura) estavam normais, os módulos internos foram controlados através do software de controlo interno do laser e a potência máxima de saída foi ajustada para 12KW, 20KW e 30KW, respetivamente.

As experiências de corte foram efectuadas em diferentes tipos e espessuras de placas descritas na Tabela 1, sob os três estados de potência acima mencionados. O perímetro da amostra cortada foi de 205,6 mm, como mostra a Fig. 2.

As amostras cortadas foram analisadas e comparadas através do exame da densidade de porosidade, da rugosidade e dos parâmetros de processo correspondentes na superfície das amostras cortadas.

Fig. 2 - Diagrama esquemático da amostra de corte

2. Resultados dos ensaios

2.1 Análise dos parâmetros de corte

Durante a experiência, os cinco factores que afectam a velocidade de corte (potência do laserA pressão do gás de corte, o foco e a abertura do bocal) foram tidos em consideração para garantir que as amostras após o corte se destacariam automaticamente, sem escórias, queimaduras ou gotículas, e teriam um elevado acabamento superficial. Os parâmetros do processo foram ajustados para obter o melhor efeito de corte para diferentes materiais e espessuras.

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Ver quadro 3 para os parâmetros específicos.

Tabela 3 Tabela de parâmetros experimentais

2.1.1 Análise da velocidade de corte

Os dados da Tabela 3 mostram que, com uma potência laser de 20KW como fundo de teste, as velocidades de corte de placas com espessuras de 20mm e 30mm feitas de Q345, Aço 45#, NM400 e T10 foram comparados, como se mostra na Figura 3.

Com a mesma potência laser, espessura de chapa e oxigénio como gás auxiliar, a chapa T10 teve a velocidade de corte mais lenta, enquanto a NM400 teve a mais rápida. Não houve diferença significativa entre as velocidades de corte dos aços Q345 e 45#.

Pode concluir-se que o teor de carbono no material de corte tem o impacto mais significativo na velocidade de corte. À medida que o teor de carbono na chapa aumenta, a velocidade de corte da chapa com a mesma espessura diminui gradualmente. Além disso, à medida que o conteúdo de elementos raros (como Cr, Ni) na placa aumenta, a velocidade de corte diminui gradualmente.

Fig. 3-20KW Comparação da velocidade de corte

2.1.2 Análise da pressão do ar auxiliar

Corte a laser aço-carbono com oxigénio como gás auxiliar funciona utilizando a energia gerada pela fonte de luz laser e a reação de oxidação durante o processo de corte.

É evidente que a pressão de oxigénio tem um efeito significativo em vários tipos de placas.

A Tabela 4 nos dados do processo de corte de 20mm e 30mm de aço Q345, 45# e T10 com um laser de 20KW, como mostrado na Tabela 3, revela que para diferentes tipos de chapas com a mesma espessura, a pressão do gás auxiliar aumenta à medida que o teor de carbono nas chapas aumenta, para obter resultados de corte óptimos.

Fig. Diagrama de comparação da pressão do ar auxiliar de 4-20KW

2.1.3 Análise da incidência do corte

Os dados do teste anterior mostram que, ao cortar os aços Q235, Q345, 45# e T10 com a mesma espessura e utilizando oxigénio como gás auxiliar de corte, os aços 45# e T10 contêm mais carbono do que os aços Q235 e Q345.

Durante o processo de corte, forma-se um grande número de poros de dióxido de carbono na superfície, provocando uma superfície rugosa.

O efeito de corte mantém-se inalterado quando o foco de corte muda dentro de ±1, pelo que o foco pode ser reduzido para melhorar a velocidade de corte. No entanto, o efeito de corte do Q235 e do Q345 é sensível ao foco de corte, pelo que não têm esta vantagem.

2.2 Análise do efeito da entrada em funcionamento

A tabela abaixo mostra os resultados do corte de diferentes tipos e espessuras de chapas utilizando vários gases auxiliares e potências de corte.

Como mostra a Tabela 4, é evidente que os efeitos de corte de diferentes tipos de placas com a mesma espessura foram comparados utilizando a mesma potência de corte.

Os resultados indicaram uma diferença significativa na rugosidade da superfície entre as amostras cortadas de diferentes materiais, com a amostra Q345B a apresentar o melhor efeito de corte. A camada de óxido da superfície era fina e a rugosidade da superfície era mínima.

Por outro lado, a camada de óxido na superfície de corte da amostra NM400 apresentava uma estratificação evidente. O lado superior da superfície de corte era liso, enquanto o lado inferior tinha uma camada de óxido mais espessa, levando a uma maior rugosidade da superfície da amostra.

O corte da amostra 45# era rugoso, com uma protrusão óbvia da pele de óxido na parte inferior.

A amostra T10 teve o pior efeito de corte, com uma superfície rugosa, numerosos poros e uma pele de óxido visível na parte inferior.

Em comparação, as superfícies de corte Q345B, NM400 e 45# apresentaram melhor rugosidade superficial da pele de óxido do que a placa T10.

Tabela 4 Tabela de efeitos experimentais

2.2.1 Análise do ponto de fusão do material

Esta experiência testou quatro tipos de materiais: chapas de aço-carbono Q235, Q345B, NM400 e 45#. O seu teor de carbono é de 0,22%, 0,20%, 0,25% e 0,47%, respetivamente.

Ao examinar o diagrama de fases ferro-carbono na Figura 5, pode observar-se que a temperatura do ponto de fusão destes quatro materiais é de aproximadamente 1500°C.

Corte a laser de aço-carbono utiliza o laser como fonte de calor de pré-aquecimento e o oxigénio como gás auxiliar. Isto cria uma reação de oxidação altamente exotérmica com os materiais, libertando uma quantidade significativa de energia de oxidação (como se mostra na fórmula seguinte).

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

Foi estabelecido que a temperatura no local de processamento da placa excedeu 1726,85°C devido à energia libertada pelo laser e ao processo de oxidação durante processamento a laser. Esta temperatura é significativamente mais elevada do que os pontos de fusão dos materiais Q235, Q345B, NM400 e 45#.

Com base nesta análise, pode concluir-se que os pontos de fusão destes materiais têm um impacto limitado no efeito da incrustação de óxido na superfície após o corte.

Fig. 5 Diagrama de fase Fe-C

2.2.2 Análise da composição química dos materiais

A composição química das diferentes chapas de aço utilizadas nesta experiência foi determinada utilizando um analisador de espetro. Os resultados são apresentados na Tabela 5.

Tabela 5 Análise dos elementos químicos

1) Análise do teor do elemento Mn

De acordo com a Tabela 5, que compara os elementos do Q235 e do Q345B, ambos os materiais são classificados como aço de baixo teor de carbono. O teor de outros elementos nos materiais não é significativamente diferente, exceto o teor de manganês, que é de 0,65% para o Q235 e de 1,70% para o Q345B. Esta diferença no teor de manganês serve de referência para explorar a relação entre a qualidade do corte a laser e o teor de manganês no material.

Os efeitos da superfície de corte dos dois materiais são apresentados na Figura 6. Os resultados mostram que a superfície é limpa e brilhante, com rugosidade superficial semelhante, e os parâmetros experimentais foram mantidos constantes.

Com base nestes resultados, pode concluir-se que o elemento Mn tem um ligeiro impacto no efeito de corte a laser do aço convencional de baixo teor de carbono.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Fig. 6

2) Análise de conteúdo do elemento S

Os dados fornecidos na tabela mostram que a diferença máxima no teor do elemento enxofre (S) entre as chapas é de apenas 0,05%. Esta informação não é suficiente para determinar o impacto do teor do elemento S na qualidade do corte.

Uma análise mais aprofundada dos dados revela que quando o teor de manganês (Mn) e enxofre (S) na chapa é de cerca de 0,5% e 0,25%, respetivamente, a escória na parte inferior da superfície de corte aumenta com o aumento da espessura da chapa, levando a uma diminuição gradual da qualidade de corte.

Quadro 6 Comparação dos elementos S e Mn

3) Análise do teor de elementos Si

Observou-se que, quando o teor de elementos de silício (Si) na placa metálica é inferior a 0,25%, a velocidade de corte do carbono chapa de aço com um teor de Si superior a 0,25% é mais lento do que 20% em comparação com a placa de aço carbono com um teor de Si inferior a 0,25%. Além disso, uma quantidade substancial de escória será produzida na parte inferior da placa.

4) Análise de conteúdo do elemento C

Ao comparar o teor de elementos do Q235, 45# e T10, verifica-se que o Q235 é classificado como aço de baixo teor de carbono, o 45# é um aço de médio teor de carbono e o T10 é um aço de alto teor de carbono.

Ao examinar a tabela de elementos, verifica-se que as únicas diferenças significativas são entre o carbono (C) e o manganês (Mn).

A altas temperaturas e com oxigénio suficiente como gás auxiliar, o carbono reage com o oxigénio da seguinte forma:

C+O₂→CO₂(g)（393,5KJ/mol）

A análise teórica mostra que, à medida que o teor de carbono do material aumenta, a quantidade de gás dióxido de carbono produzido pela reação de oxidação também aumenta na presença de oxigénio como gás auxiliar, levando a um aumento do número de poros na superfície de corte do material.

A Figura 4 ilustra que, à medida que o teor de carbono interno do aço Q235, 45# e T10 aumenta, o número de poros na superfície de corte também aumenta de forma correspondente.

Fig. 7 - Gráfico de comparação do teor de carbono dos materiais

Ao comparar inicialmente os materiais Q235 e Q345B, verificou-se que o teor do elemento manganês (Mn) tem um impacto mínimo no efeito de corte efetivo e pode ser ignorado.

A Figura 8 apresenta o efeito de corte efetivo dos três materiais com a mesma espessura. Os resultados mostram que a superfície do Q235 é brilhante com baixa rugosidade, a superfície do 45# é rugosa com uma camada de óxido significativamente mais espessa na parte inferior e a superfície do T10 é a mais rugosa com a camada de óxido mais espessa.

A partir dos resultados reais dos testes, pode concluir-se que o teor de carbono no material tem um impacto notável no efeito de corte. À medida que o teor de carbono aumenta, o número de poros na superfície de corte aumenta, a espessura da pele de óxido da superfície torna-se mais espessa e a rugosidade da superfície torna-se maior.

Fig. 8-Q235-30kw-40mm (esquerda), 45 # - 30kw-40mm (meio), T10-30kw (direita)

5) Análise do teor de elementos de Ni

A Tabela 7 apresenta os tipos e teores de elementos químicos nos materiais Q235 e Q460. A diferença no teor de elementos de níquel (Ni) entre os dois materiais é evidente.

Consequentemente, foram efectuados testes de corte em placas com a mesma espessura para ambos os materiais. Os resultados da qualidade de corte efectiva são apresentados na Figura 10.

Não há diferenças visíveis nas estrias da superfície, na espessura da camada de óxido e na rugosidade da superfície.

Com base nestes resultados, pode concluir-se que, no aço convencional de baixo teor de carbono, o teor de níquel não tem um impacto significativo na qualidade de corte dos lasers de alta potência.

Fig. 9 - Gráfico de comparação do teor de níquel nos materiais

Tabela 7 Comparação dos elementos Ni

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Fig. 10

6) Análise de conteúdo do elemento Cr

Ao comparar o teor de elementos na chapa, observa-se que o teor de crómio (Cr) nos materiais NM400 e Q690 é significativamente mais elevado do que nos outros materiais, como ilustrado na Figura 4.2-5.

Fig. 11 Gráfico de comparação do teor de crómio nos materiais

Durante o processo de corte a laserQuando o laser liberta calor, a maior parte dos elementos da placa oxidam com o gás auxiliar, o oxigénio, e libertam uma grande quantidade de calor. Isto resulta na formação de uma zona afetada pelo calor significativa na superfície da placa.

Nesta zona afetada pelo calor, o crómio (Cr) na placa oxidará com o oxigénio e produzirá Cr₂O₃ e outros óxidos, que aumentarão com a temperatura local. O óxido cresce gradualmente e forma uma estrutura granular em forma de aglomerado, como se mostra na Figura 12.

Com o tempo, um Cr₂O₃ pele de óxido com elevada tensão superficial e menos propensa à formação de fissuras corte de metais o que impede a reação de oxidação entre os elementos sob a superfície de Cr₂O₃ oxidação e O₂ (como mostra a Figura 13). Isto resulta numa rugosidade superficial significativamente baixa na parte inferior das superfícies de corte NM400 e Q690 (como se vê na Figura 14).

Pode concluir-se que o efeito de corte piora com o aumento do teor de Cr no material e que a camada de óxido no fundo da amostra se torna mais espessa.

Fig. 12 - Diagrama de fases de partículas agrupadas

Fig. 13 - Diagrama de análise da camada de óxido da superfície de corte a laser

Ecrã de efeito de corte 20mm NM400

Ecrã de efeito de corte 20mm Q690

Fig. 14

2.3 Análise da zona afetada pelo calor

É sabido que a qualidade do corte a laser está relacionada com a zona afetada pelo calor na superfície da chapa a cortar. Quando a zona afetada pelo calor não é controlada, pode causar distorções, fissuras, fragilidade, etc. na superfície da chapa cortada.

De acordo com a comparação de dados na Figura 15, sabe-se que a potência de corte a laser é o principal fator que afecta a largura da fenda de corte, e a velocidade de corte é o principal fator que afecta as estrias e a rugosidade da superfície de corte.

Por conseguinte, no corte a laser, recomenda-se ajustar os parâmetros do processo tanto quanto possível para minimizar a área da zona afetada pelo calor na superfície da chapa, a fim de reduzir a deformação e o enriquecimento dos componentes.

Fig. 15 - Influência da potência e da velocidade no corte e na superfície de corte

Durante o processo de teste real, os parâmetros do processo de corte foram optimizados para garantir superfícies de corte lisas e a queda livre de amostras de diferentes tipos e espessuras.

Com o mesmo poder de corte, não há diferença substancial na largura das fendas entre os diferentes tipos e com a mesma espessura.

Como resultado, a área da zona afetada pelo calor de materiais com a mesma espessura é semelhante sob a mesma potência, tendo apenas um impacto menor na rugosidade real da superfície e pode ser ignorada.

3. Conclusão

Os factores que influenciam a qualidade de corte do aço-carbono através do corte com oxigénio incluem a composição das ligas, a microestrutura do material, a condutividade térmica, o ponto de fusão e o ponto de ebulição.

Os metais com elevado teor de carbono têm normalmente pontos de fusão elevados, o que torna difícil a sua fusão, levando a um aumento do tempo de corte e perfuração.

Isto resulta num corte mais largo e numa zona superficial afetada pelo calor expandida, causando uma qualidade de corte instável.

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Além disso, um elevado teor de composição da liga aumenta a viscosidade do metal líquido e aumenta a proporção de salpicos e escórias, impondo maiores exigências ao ajuste da potência do laser e da pressão de sopro do ar durante o processamento.

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Os testes acima mostram que, quando o oxigénio é utilizado como gás auxiliar, o efeito da superfície de corte piora e a rugosidade da superfície aumenta significativamente à medida que o teor de elementos C e Cr no material aumenta. Por outro lado, quando o ar é utilizado como gás auxiliar, o efeito de corte permanece praticamente inalterado com a mesma espessura e potência.

Para garantir a qualidade e a eficácia do corte, os tipos de gás auxiliar recomendados para as diferentes potências de corte e materiais são indicados na tabela seguinte:

1. Impacto do teor de carbono:

Sob a mesma potência laser, à medida que o teor de carbono aumenta, a velocidade de corte diminui gradualmente, enquanto a superfície da amostra se torna mais áspera, a pele de óxido torna-se mais espessa e o efeito global deteriora-se, levando a uma redução do limite de espessura das placas de corte a laser.

2. Impacto do teor de crómio:

Com o aumento do teor de crómio, a camada de óxido na parte inferior da superfície da amostra acumula-se e torna-se visivelmente mais espessa, fazendo com que a superfície de corte se torne áspera de cima para baixo.

3. Impacto do teor de silício:

Quando o teor de silício no material excede 0,25%, a velocidade de corte diminui significativamente com o aumento do teor de silício, e a escória aparece no fundo da amostra de corte.

4. Conteúdo de níquel:

O teor de níquel tem pouco efeito na qualidade do laser de alta potência corte.

5. Impacto do teor de manganês e enxofre:

Quando o teor de manganês e enxofre no material é de 0,5% e 0,04%, respetivamente, a escória no fundo do corte aumenta gradualmente à medida que a espessura da placa aumenta.