Hot- and Cold-Rolled Steel: Defects Affecting Laser Cutting
¡Gracias a Ramazán Lee por la ayuda!
Diferencias entre chapas laminadas en frío (LF) y en caliente (LC), y cuál elegir
Los productos laminados (conformados bajo presión) presentan diferencias notables según el proceso. La diferencia entre las propiedades del laminado en caliente y en frío se debe a la temperatura de fabricación.
Principales diferencias:
- La materia prima para el laminado en caliente es la placa (slab); para el laminado en frío, la chapa laminada en caliente.
- Para el laminado en frío se utilizan exclusivamente aceros de alta calidad.
- La chapa LF tiene una distribución de espesor más uniforme y no se deforma al soldar, por lo que es preferida en instrumentación, automoción y aeronáutica.
- El espesor de la chapa LF no supera 5 mm; el de la LC llega hasta 200 mm.
- La precisión dimensional (ángulos, longitud, anchura) es mayor en la chapa LF.
- La chapa LF no agrieta al doblarse.
- En resistencia, durabilidad y fiabilidad, ambas son equivalentes.
Chapa laminada en caliente
La chapa de acero laminada en caliente es un producto plano cuyo espesor es mucho menor que su longitud y anchura. Se fabrica por laminación en caliente — proceso que da nombre al producto.
Defectos LC
1. Imprecisión dimensional y de forma. Desviaciones en espesor, longitud y anchura; variación longitudinal y transversal de espesor; ondulación.
- Causas: ajuste incorrecto del tren de laminación, desviación del régimen de laminación (deformación).
- Alta variación longitudinal de espesor — causada por perfil inadecuado de los cilindros y desgaste.
- Ondulación — aparece cerca de los bordes laterales por reducción excesiva en esas zonas. Se corrige aumentando la curvatura de los cilindros o reduciendo la reducción.
2. Pérdida de continuidad del metal. Roturas pasantes, grietas, bordes rasgados, deslaminaciones, etc.
- Causas: principalmente metalúrgicas — fallos en fusión, desoxidación y colada.
- Origen de laminación:
- Roturas pasantes — se forman donde el metal tiene ductilidad bruscamente reducida.
- Esas zonas son inclusiones no metálicas continuas y burbujas internas oxidadas, que provocan grietas y bordes rasgados. También surgen por sobrecalentamiento o quemado del metal antes de la laminación.
- Escamas (slivers) — desprendimientos en forma de lengua. Causas: origen en el lingote (durante la colada), inclusiones no metálicas en la capa superficial, apertura de burbujas de gas, surcos profundos en lingotes y placas.
- Deslaminación — alta contaminación de las capas internas con inclusiones no metálicas.
3. Defectos de superficie. Cascarilla laminada (rolled-in scale), arañazos, marcas de los cilindros.
4. Estructura y propiedades físico-mecánicas insatisfactorias. Si la composición química es correcta, las desviaciones se deben al régimen de deformación (sobre todo en las últimas pasadas) y al incumplimiento de las temperaturas finales de laminación y bobinado.
Chapa laminada en frío
La chapa laminada en frío es un tipo de producto plano fabricado por laminación en frío.
Los defectos se ven favorecidos por el pequeño espesor de los productos laminados en frío, muy inferior al de los laminados en caliente.
La pérdida de homogeneidad genera grietas, agujeros, bordes rasgados y deslaminaciones — síntomas de mala calidad de materia prima o de fallos tecnológicos del fabricante.
Defectos superficiales: franjas oscuras, abultamientos, marcas de presión, así como decapado insuficiente y decapado excesivo. Provienen de fallos del proceso, particularmente del decapado. También pueden deberse a oxidación incorrecta y a marcas o salientes en los cilindros.
Migajas laminadas en la superficie — otro defecto, que surge cuando las superficies de la tira y los cilindros no se limpiaron bien antes del laminado.
La chapa LF se fabrica a partir de la LC tras eliminar la cascarilla con decapado ácido. Después, la chapa decapada se vuelve a pasar por el tren sin precalentamiento hasta alcanzar el espesor requerido. La etapa final es el recocido, que confiere las propiedades necesarias. Se suministra en bobinas o cortada.
Defectos LF
1. Pérdida de integridad del metal — desgaste de cilindros.
Como las chapas LF son mucho más finas, predominan defectos como variación transversal y longitudinal de espesor, ondulación y alabeo (buckling). Se previenen con perfil óptimo de los cilindros, uso de contraflexión y control automático del proceso.
La causa principal de estos defectos (agujeros, grietas, bordes rasgados, escamas, deslaminaciones) es la mala calidad del laminado en caliente de partida. Algunos pueden originarse también por laminación incorrecta. Cuando se alimentan tiras alabeadas con tendencia a pliegue longitudinal, en la zona de deformación una parte de la tira se desplaza respecto a otra. Aparecen líneas claras en la superficie en ángulo respecto al sentido de laminación — defecto llamado corte (shear mark) (o "espina de pescado" si las líneas son simétricas en sentido longitudinal). Causa: perfil inadecuado y distribución desigual de reducción a lo ancho.
2. Defectos de decapado.
En el decapado de tiras LC son posibles decapado insuficiente y excesivo. En el primer caso quedan bandas o manchas oscuras de cascarilla; en el segundo, la superficie queda muy rugosa, corroída por el ácido. Ambos exigen ajustar el régimen de decapado.
Durante la laminación pueden formarse hundimientos (depresiones) y salientes (bultos) en la tira. Los hundimientos de distintas formas y tamaños suelen aparecer por adherencia de partículas metálicas a los cilindros — se requiere limpiarlos, por ejemplo con tela esmeril o piedra abrasiva. Los salientes aparecen por hundimientos o picaduras en los cilindros (por desconchado); cilindros con defectos graves deben sustituirse.
Defecto común: migajas metálicas laminadas, por caída de partículas sobre la tira — frecuentemente provenientes de los propios bordes con grietas o rebabas.
Al rozar bordes afilados de las guías, en el transporte y otras operaciones, aparecen rayas y arañazos. También pueden originarse por deslizamiento relativo de las espiras de la bobina al enrollar, desenrollar o moverla.
3. Defectos de recocido.
Algunos defectos superficiales surgen durante el recocido. Si quedan restos importantes de lubricante de proceso (emulsión) en la superficie tras la laminación, durante el recocido pueden aparecer manchas y vetas oscuras, principalmente cerca de los bordes — defecto llamado quemado de emulsión. Para evitarlo: no usar emulsiones demasiado concentradas y eliminar al máximo el lubricante tras la laminación, por ejemplo soplando aire.
Resumen
Las desviaciones de estructura y propiedades físico-mecánicas dependen principalmente del cumplimiento de los regímenes de tratamiento térmico. Además, los regímenes de deformación tienen gran influencia y deben elegirse en función de las propiedades finales. Aparte está la tensión interna en la chapa por el breve tiempo del ciclo térmico, escasa profundidad de la ZAT, etc.
Problemas en el corte para los operadores
Tensiones internas
Normalmente las tensiones internas están equilibradas y no afectan visiblemente a la chapa hasta que ese equilibrio se rompe por alguna causa. Cuando se rompe (carga externa, eliminación de una capa como sobremetal, o por el corte), la chapa empieza a deformarse hasta que la redistribución de tensiones alcanza un nuevo equilibrio. Tales deformaciones se denominan deformaciones residuales.
La causa directa de las tensiones internas es la falta de uniformidad de los cambios lineales o volumétricos en los macro y microvolúmenes del metal.
A las altas temperaturas del corte láser ocurren transformaciones de fase: el metal cambia de estructura, varían la red cristalina y el volumen de la celda unitaria, y aparecen tensiones internas.
El sistema deja de ser uniforme. En la zona de actuación del láser (la pieza en proceso) se forman regiones con propiedades distintas al volumen principal. Si su concentración es significativa y las tensiones superan cierto umbral, el sistema (chapa, pieza, muestra) pierde estabilidad y se deforma.
La tesis de procesado láser "sin deformación" debe entenderse así: las deformaciones pueden ser mucho menores que con los métodos tradicionales de tratamiento térmico (incluso en órdenes de magnitud), pero existen. La tarea del tecnólogo es entender sus causas y minimizarlas — el láser ofrece esa oportunidad.
En el corte láser, el aporte térmico es máximo en la superficie y menor en las capas inferiores. El metal se dilata al calentarse, pero al ser mayor la temperatura en la superficie las fibras superiores se alargan más; por el menor alargamiento de las fibras inferiores surgen tensiones internas. Cuando la tensión alcanza un valor crítico (alargamiento superior muchas veces mayor que el inferior), la pieza se curva hacia arriba, y por los cambios estructurales irreversibles del metal estas deformaciones son plásticas (irreversibles).
Métodos para combatir las deformaciones térmicas en el corte láser
- Estado tensional de la chapa antes del corte. Para chapa sin tratamiento térmico previo, aplicar recocido o alivio de tensiones para eliminar tensiones internas.
- Dimensiones de las piezas (tamaño y espesor). A mayor espesor y menor relación tamaño/espesor, menor deformación — por calentamiento más uniforme.
- Sujeción de la chapa. Fijar con sargentos u otros dispositivos. Se recomienda corte continuo, cortando las micro-uniones (puentes) tras el enfriamiento completo.
- Recortes tras el corte. La deformación mínima se logra cuando el área de la pieza es comparable a la del esquema — el recorte se deforma más que la pieza. En corte de precisión, el recorte debe tener más libertad de movimiento que la pieza.
- Velocidad de corte. Mayor velocidad reduce el calor absorbido por unidad de longitud, disminuyendo la deformación.
- Posición de la chapa durante el corte. La chapa no debe pandear por calentamiento local. Se prefieren mesas con muchas lamas (slats).
- Calentamiento uniforme reduce notablemente las tensiones internas. En cortes rectos, cortar del centro hacia los bordes. Usar ordenación correcta en el nesting; piezas complejas en secciones, idealmente opuestas; aplicar método de pasos invertidos (back-step), etc.
- Refrigeración adicional por soplado de aire.
- Modo de corte pulsado.
- Piercing (perforación inicial) con la función de pre-perforación activada.
- Con alabeo visible ("barriga" de la chapa), colocar el defecto hacia arriba; separación adecuada entre piezas (≥10 mm); usar micro-uniones; se puede voltear la chapa si se corta con cortes comunes y micro-uniones bien colocadas.
Recuerde: antes de cortar, la chapa debe estar libre de óxido y desengrasada. Si llega aceitada, límpiela.