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

A tecnologia de corte a laser revolucionou o processamento de metais, superando os métodos tradicionais com sua relação custo-benefício, taxas de produção rápidas, precisão e qualidade superior. Essa técnica avançada tornou-se indispensável na fabricação de aço carbono, aço inoxidável, cobre, alumínio e vários metais não ferrosos, estabelecendo-se como uma pedra angular na metalurgia moderna.

Apesar de sua ampla adoção, o corte a laser enfrenta alguns desafios. Um problema notável surge ao processar chapas de aço carbono de espessura idêntica, mas com composições diferentes, usando parâmetros consistentes de corte a laser. A qualidade da superfície de corte resultante apresenta variações significativas, destacando a complexa interação entre as propriedades do material e as interações entre o laser e o material.

Para elucidar a relação entre a composição da chapa e a qualidade do corte, foram realizados estudos abrangentes. Essas investigações utilizaram chapas de aço-carbono de diversas espessuras e composições químicas, empregando lasers de fibra de alta potência que variam de 6 a 30 kW. Os experimentos exploraram processos de corte assistidos por oxigênio e por ar, fornecendo um amplo espectro de dados para análise.

Essa pesquisa tem como objetivo otimizar os parâmetros de corte a laser para composições específicas de materiais, melhorando a qualidade do corte e a eficiência do processo. Compreender essas nuances é fundamental para obter resultados consistentes e de alta qualidade em vários tipos de aço carbono, melhorando a precisão da fabricação e reduzindo o desperdício de material em aplicações industriais.

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1. Equipamentos e métodos experimentais

1.1 Equipamento experimental

O experimento foi realizado com um laser de fibra de 30KW, que é um laser multimodo de saída contínua com um comprimento de onda de feixe de 1080nm e um diâmetro de núcleo de 150 μm. O cabeçote do laser usado no experimento foi o cabeçote de laser Genius 30 (30KW).

A distância focal de quase diâmetro do cabeçote do laser era de 100 mm, e o espelho de foco tinha uma distância focal de 200 mm, o que permitia o foco automático. Para garantir a operação estável do laser de fibra de 30KW e manter seu desempenho ideal, um resfriador de água com capacidade de resfriamento de 70,0KW foi usado como equipamento auxiliar.

Fig. 1 - Laser experimental, cabeçote do laser

1.2 Materiais auxiliares

Para garantir a precisão, a eficiência e a clareza dos dados experimentais, os materiais de teste usados neste experimento foram placas de aço carbono de diferentes espessuras, incluindo Q235, Q345e aço carbono Q460. Para obter mais detalhes, consulte a folha de dados da placa experimental.

O gás auxiliar usado foi o oxigênio 99,9%, com uma pressão de suprimento de ar de 5 bar. Para garantir um número suficiente de bicos, os bicos listados na folha de dados do bico experimental foram preparados para o experimento.

Tabela 1 Folha de dados da placa experimental

Tabela 2 Folha de dados do bocal experimental

1.3 Métodos experimentais

Sob a condição de que a qualidade do ponto do equipamento (a fibra óptica e o cabeçote do laser estavam limpos e sem danos, verificados por meio de um teste de papel fotográfico), a pressão do ar (o oxigênio foi mantido a 5 bar estáveis e o ar foi mantido a 11 bar estáveis) e as lentes internas do cabeçote do laser (limpas, sem sujeira e marcas de queimadura) estavam normais, os módulos internos foram controlados por meio do software de controle interno do laser e a potência máxima de saída foi ajustada para 12KW, 20KW e 30KW, respectivamente.

Os experimentos de corte foram realizados em diferentes tipos e espessuras de placas descritos na Tabela 1, sob os três estados de potência mencionados acima. O perímetro da amostra cortada foi de 205,6 mm, conforme mostrado na Fig. 2.

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

Fig. 2 - Diagrama esquemático da amostra de corte

2. Resultados do teste

2.1 Análise dos parâmetros de corte

Durante o experimento, os cinco fatores que afetam a velocidade de corte (potência do laserA pressão do gás de corte, o foco e a abertura do bocal) foram levados em consideração para garantir que as amostras após o corte se soltassem automaticamente, sem escória, queima ou gotículas, e tivessem um alto acabamento de superfície. Os parâmetros do processo foram ajustados para obter o melhor efeito de corte para diferentes materiais e espessuras.

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Consulte a Tabela 3 para obter 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 de laser de 20KW como fundo de teste, as velocidades de corte de placas com espessuras de 20 mm e 30 mm feitas de Q345, Aço 45#, NM400 e T10 foram comparados, conforme mostrado na Figura 3.

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

Fig. Comparação da velocidade de corte de 3-20KW

2.1.2 Análise da pressão do ar auxiliar

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

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

A Tabela 4 nos dados do processo de corte de 20 mm e 30 mm de aço Q345, 45# e T10 com um laser de 20KW, conforme 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 os melhores resultados de corte.

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

2.1.3 Análise do foco de corte

Os dados do teste anterior mostram que, ao cortar os aços Q235, Q345, 45# e T10 com a mesma espessura e usando oxigênio 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, um grande número de poros de dióxido de carbono se forma na superfície, causando uma superfície áspera.

O efeito de corte permanece inalterado quando o foco de corte muda dentro de ±1, portanto, o foco pode ser reduzido para melhorar a velocidade de corte. Entretanto, o efeito de corte do Q235 e do Q345 é sensível ao foco de corte, portanto, eles não têm essa vantagem.

2.2 Análise do efeito do comissionamento

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

Conforme mostrado na Tabela 4, é evidente que os efeitos de corte de diferentes tipos de placas com a mesma espessura foram comparados com o uso da mesma potência de corte.

Os resultados indicaram uma diferença significativa em rugosidade da superfície entre as amostras cortadas de diferentes materiais, sendo que a amostra Q345B apresentou 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 apresentou estratificação evidente. A parte superior da superfície de corte era lisa, enquanto a parte inferior tinha uma camada de óxido mais espessa, o que resultou em uma maior rugosidade da superfície da amostra.

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

A amostra T10 teve o pior efeito de corte, com uma superfície áspera, vários poros e uma pele de óxido perceptível na parte inferior.

Em comparação, as superfícies de corte Q345B, NM400 e 45# apresentaram melhor rugosidade da superfície 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

Esse experimento testou quatro tipos de materiais: Placas de aço carbono Q235, Q345B, NM400 e 45#. Seu teor de carbono é de 0,22%, 0,20%, 0,25% e 0,47%, respectivamente.

Ao examinar o diagrama de fases ferro-carbono na Figura 5, é possível observar que a temperatura do ponto de fusão desses quatro materiais é de aproximadamente 1.500 °C.

Corte a laser de aço carbono utiliza o laser como fonte de calor de pré-aquecimento e o oxigênio como gás auxiliar. Isso cria uma reação de oxidação altamente exotérmica com os materiais, liberando uma quantidade significativa de energia de oxidação (conforme mostrado na fórmula a seguir).

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 1.726,85 °C devido à energia liberada pelo laser e ao processo de oxidação durante o processo de processamento. processamento a laser. Essa temperatura é significativamente mais alta do que os pontos de fusão dos materiais Q235, Q345B, NM400 e 45#.

Com base nessa análise, pode-se concluir que os pontos de fusão desses materiais têm impacto limitado sobre o efeito da escala 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 placas de aço usadas neste experimento foi determinada usando um analisador de espectro. Os resultados são mostrados na Tabela 5.

Tabela 5 Análise de elementos químicos

1) Análise do conteúdo 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 carbono. O conteúdo de outros elementos nos materiais não é significativamente diferente, exceto pelo conteúdo de manganês, que é 0,65% para o Q235 e 1,70% para o Q345B. Essa diferença no teor de manganês serve como 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 mostrados 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 nesses resultados, pode-se concluir que o elemento Mn tem um leve impacto sobre o efeito do corte a laser do aço convencional de baixo carbono.

Q235-20kw-20mm

Q345B-20kw-20mm

Fig. 6

2) Análise do 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%. Essas informações não são suficientes 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 está em torno de 0,5% e 0,25%, respectivamente, a escória na parte inferior da superfície de corte aumenta com o aumento da espessura da chapa, levando a uma diminuição gradual da qualidade do corte.

Tabela 6 Comparação dos elementos S e Mn

3) Análise do conteúdo do elemento Si

Foi observado que, quando o teor do elemento silício (Si) na placa de metal é inferior a 0,25%, a velocidade de corte do carbono chapa de aço com teor de Si superior a 0,25% é mais lenta do que 20% em comparação com a chapa de aço carbono com teor de Si inferior a 0,25%. Além disso, uma quantidade substancial de escória será produzida na parte inferior da chapa.

4) Análise de conteúdo do elemento C

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

Examinando a tabela de elementos, pode-se observar que as únicas diferenças significativas são entre o carbono (C) e o manganês (Mn).

Sob alta temperatura e com oxigênio suficiente como gás auxiliar, o carbono reage com o oxigênio da seguinte maneira:

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 produzida pela reação de oxidação também aumenta na presença de oxigênio como gás auxiliar, levando a um aumento no 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, constatou-se que o teor do elemento manganês (Mn) tem um impacto mínimo sobre o efeito real do corte e pode ser desconsiderado.

A Figura 8 exibe o efeito de corte real 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 áspera com uma camada de óxido significativamente mais espessa na parte inferior e a superfície do T10 é a mais áspera com a camada de óxido mais espessa.

Com base nos resultados reais dos testes, pode-se concluir 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 se torna mais espessa e a rugosidade da superfície se torna maior.

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

5) Análise do conteúdo do elemento Ni

A Tabela 7 mostra os tipos e o conteúdo dos elementos químicos nos materiais Q235 e Q460. A diferença no conteúdo de elementos de níquel (Ni) entre os dois materiais é evidente.

Consequentemente, foram realizados testes de corte em placas da mesma espessura para ambos os materiais. Os resultados da qualidade real do corte são mostrados na Figura 10.

Não há diferença perceptível nas estrias da superfície, na espessura da camada de óxido e na rugosidade da superfície.

Com base nesses resultados, pode-se concluir que, no aço convencional de baixo carbono, o teor de níquel não tem 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 de elementos de Ni

Q460-20mm-20KW

Q235-20mm-20KW

Fig. 10

6) Análise do conteúdo do elemento Cr

Ao comparar o conteúdo dos elementos na placa, observa-se que o conteúdo do elemento cromo (Cr) nos materiais NM400 e Q690 é significativamente maior do que nos outros materiais, conforme ilustrado na Figura 4.2-5.

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

Durante o processo de corte a laserQuando o laser libera calor, a maioria dos elementos da placa se oxida com o gás auxiliar, o oxigênio, e libera uma grande quantidade de calor. Isso resulta na formação de uma zona afetada pelo calor significativa na superfície da placa.

Nessa zona afetada pelo calor, o cromo (Cr) na placa se oxidará com o oxigênio e produzirá um Cr₂O₃ e outros óxidos, que aumentarão com a temperatura local. O óxido cresce gradualmente e forma uma estrutura granular semelhante a um aglomerado, conforme mostrado na Figura 12.

Com o passar do tempo, um Cr₂O₃ pele de óxido com alta tensão superficial e menos propensa à formação de rachaduras. corte de metais o que impede a reação de oxidação entre os elementos abaixo da superfície do Cr₂O₃ e O₂ (conforme mostrado na Figura 13). Isso resulta em uma rugosidade superficial significativamente ruim na parte inferior das superfícies de corte do NM400 e do Q690 (conforme mostrado na Figura 14).

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

Fig. 12 - Diagrama de fase de partículas agrupadas

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

Visor de efeito de corte de 20 mm NM400

Visor de efeito de corte de 20 mm Q690

Fig. 14

2.3 Análise da zona afetada pelo calor

Entende-se que a qualidade do corte a laser está relacionada à zona afetada pelo calor na superfície da chapa que está sendo cortada. Quando a zona afetada pelo calor não é controlada, ela pode causar distorções, rachaduras, 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 afeta a largura da fenda de corte, e a velocidade de corte é o principal fator que afeta as estrias e a rugosidade da superfície de corte.

Portanto, no corte a laser, recomenda-se ajustar os parâmetros do processo o máximo 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 otimizados para garantir superfícies de corte lisas e queda livre de amostras de diferentes tipos e espessuras.

Sob a mesma potência 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 pequeno impacto sobre a rugosidade real da superfície e podendo ser desconsiderada.

3. Conclusão

Os fatores que influenciam a qualidade de corte do aço carbono por meio do corte com oxigênio incluem a composição das ligas, a microestrutura do material, a condutividade térmica, o ponto de fusão e o ponto de ebulição.

Os metais com alto teor de carbono normalmente têm altos pontos de fusão, o que dificulta a fusão, levando a um aumento no tempo de corte e perfuração.

Isso resulta em um corte mais largo e em uma zona afetada pelo calor da superfície expandida, causando uma qualidade de corte instável.

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Além disso, um alto teor de composição de liga aumenta a viscosidade do metal líquido e eleva a proporção de respingos e escória, 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 oxigênio é usado como gás auxiliar, o efeito da superfície de corte piora e a rugosidade da superfície aumenta significativamente à medida que o conteúdo dos elementos C e Cr no material aumenta. Por outro lado, quando o ar é usado como gás auxiliar, o efeito de corte permanece praticamente inalterado com a mesma espessura e potência.

Para garantir a qualidade e a eficiência do corte, os tipos recomendados de gás auxiliar para diferentes potências de corte e materiais estão listados na tabela a seguir:

1. Impacto do teor de carbono:

Sob a mesma potência do 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 camada de óxido se torna mais espessa e o efeito geral se deteriora, levando a uma redução no limite de espessura das placas de corte a laser.

2. Impacto do teor de cromo:

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

3. Impacto do conteúdo 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 na parte inferior da amostra de corte.

4. Conteúdo de níquel:

O teor de níquel tem pouco efeito sobre a 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%, respectivamente, a escória na parte inferior do corte aumenta gradualmente à medida que a espessura da chapa aumenta.