Laser Cutting of Carbon / Mild Steel

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Noções básicas sobre aço carbono

O aço carbono é uma liga de ferro e carbono com teor de carbono de até 2 %. Conforme o teor de carbono, o aço carbono se classifica em:

Aço baixo carbono — teor de carbono inferior a 0,25 %.
Aço médio carbono — teor de carbono entre 0,25 % e 0,6 %.
Aço alto carbono — teor de carbono acima de 0,6 %.

Pelo método de laminação, o aço carbono pode ser laminado a quente ou laminado a frio. A principal diferença é a temperatura do processo.

O aço laminado a quente é produzido a partir de matéria-prima de menor qualidade, por isso o preço é menor que o do equivalente laminado a frio. A espessura do aço laminado a quente pode ultrapassar 160 mm.

O aço laminado a frio é normalmente usado em estruturas de chapa fina, de 0,4 mm a 6 mm. É de qualidade superior em relação ao laminado a quente, por isso seu preço é mais alto.

Seleção do material

Classificação das chapas fornecidas:

Primeira qualidade
Segunda qualidade
Terceira qualidade
Fora de especificação

Para corte a laser servem a primeira e a segunda qualidade, especialmente para peças destinadas à pintura ou para produtos decorativos. Os graus diferem na qualidade da composição e no processo de fabricação.

Para um trabalho estável, o operador de corte a laser deve solicitar uma chapa de teste da espessura necessária ao fabricante, com a descrição da liga e do processo de produção. Assim o operador pode identificar defeitos, avaliar riscos e, em comum acordo, definir um regime estável para produção em série, mantendo o fornecedor como parceiro fixo — ou então trocar de fornecedor para evitar problemas no corte seriado.

Composição do material

O material utilizado é decisivo. O aço de baixa qualidade frequentemente contém impurezas altamente reativas ao aquecimento. Ocorrem várias reações térmicas que podem influenciar a formação de escória, ejeções bruscas de metal e outros defeitos de corte. Se a viscosidade do material fundido for alta, a escória adere à peça e exige limpeza adicional. Reduzir a velocidade ou acrescentar acabamento não favorece a produção.

Qualidade do material

Se a laminação foi feita fora do padrão e as chapas armazenadas inadequadamente, espere chapas com ferrugem, superfície heterogênea, espessura variável no plano e porosidade no metal — fatores que causam defeitos no corte.

Seleção do gás

Oxigênio e ar são tipicamente usados para cortar aço carbono e aços de baixa liga. O nitrogênio é um gás universal de corte, mas devido ao alto consumo só é empregado em casos especiais.

Corte com oxigênio

Provoca uma reação exotérmica favorável ao corte de aço carbono. Porém, o corte com oxigênio resulta em bordas oxidadas e exige controle rigoroso dos parâmetros para minimizar adesão de escória, formação de slag, dross, rugosidade e zona afetada pelo calor (HAZ / ZTA).

A pressão de oxigênio no bico geralmente fica em 0,5–5 bar.
A pressão de oxigênio diminui à medida que a espessura da chapa aumenta (para evitar queima) e o diâmetro do bico aumenta.
A alta pureza do gás importa: chapa de 1 mm pode ser cortada até 30 % mais rápido com O₂ a 99,9 % ou 99,99 % em comparação com o padrão de 99,7 %.
A espessura máxima cortável é relativamente maior no corte com oxigênio do que no corte com nitrogênio de alta pressão.

Ar comprimido

Melhor para chapas finas. A velocidade de corte é muito superior ao corte com oxigênio.
A partir de 2 mm é difícil evitar defeitos — será necessário acabamento adicional.
Pressão de ar de 5–6 bar é suficiente para soprar o metal fundido para fora da fenda.
Como quase 80 % do ar é nitrogênio, o corte com ar comprimido é, em essência, corte por fusão.
Desvantagem do compressor: manutenção regular (troca de óleo) e filtros que ocasionalmente falham. Após três meses de operação normal podem começar a "cuspir": condensado do reservatório invade a linha. Se o trajeto for contaminado uma vez, apenas instalar filtros novos não resolverá — será necessário limpar o próprio trajeto, soprando-o com álcool.

Alinhamento do feixe e verificação do sistema óptico e do bico

No início do turno, certifique-se de que o alinhamento do feixe está correto e os vidros de proteção estão limpos. Em caso de defeitos, comece a investigação verificando a centralização do feixe e a limpeza dos vidros. Lembre-se também de que no corte com oxigênio convém usar bicos duplos e verificar regularmente a geometria do orifício.

Defeitos de corte: escória, rebarbas, slag, dross

Escória é o acúmulo indesejado de resíduos provenientes do material fundido — um subproduto do processo de corte.

As três causas principais: escória em baixa velocidade, escória em alta velocidade e escória finamente dispersa (slag).

Escória em alta velocidade. Se a velocidade é excessiva, o arco fica para trás na fenda, deixando material não cortado no lado inferior da chapa. A escória se acumula e a qualidade cai.

Escória em baixa velocidade. Se a velocidade é baixa demais, o corte busca material adicional para cortar. O diâmetro do arco aumenta, gerando uma fenda mais larga onde o componente plasma de alta velocidade já não dispersa o metal fundido. O material fundido se acumula sob a chapa.

Slag (escória finamente dispersa). Forma-se quando metais ressolidificados deixam depósitos na superfície, que depois se desprendem em fragmentos. Em geral por dois fatores: velocidade alta demais ou pressão insuficiente no bico. Diferente das outras, a remoção é trivial.

Dross (rebarba endurecida). Gotas solidificadas de metal fundido na borda da peça, que surgem quando a velocidade ou outros parâmetros tecnológicos de cortes grossos saem de faixa.

Dross em forma de pérolas com sulcos para baixo, aderindo a aço estrutural. Causa: foco muito alto em relação ao nominal ou velocidade alta demais. Solução: reduzir a velocidade em 10 % ou baixar o foco.
Dross com migalhas e pittings na peça. Foco abaixo do nominal somado a pressão de oxigênio elevada e adesão de partículas em alta velocidade. Solução: elevar o foco e reduzir a velocidade em 5–10 %.

Rebarba (burr) é material solidificado altamente aderente, ou slag de óxido solidificado, formado no lado inferior do corte. Materiais fundidos com alta tensão superficial e baixa viscosidade são mais difíceis de remover da frente de corte com o gás de assistência e podem causar adesão de escória na face inferior.

Zona afetada pelo calor (ZTA / HAZ)

O corte a laser cria uma zona afetada pelo calor (ZTA) ao lado da borda do corte. A ZTA é a parte do metal cuja estrutura sofre influência do calor sem fundir. A alteração microestrutural na ZTA é uma das características que determinam a qualidade do corte a laser.

A ZTA produz mudanças estruturais que enfraquecem a peça nessa região; por isso, qualquer ejeção de metal dificulta cortes subsequentes. Soluções: pré-perfuração, sopro contínuo, corte do centro para fora em direções diferentes, sopro adicional.

Quebra / cratera de perfuração

Ruptura da peça no lado da entrada, cratera na perfuração. Causada por foco baixo, parâmetros errados (altura de corte baixa, alta frequência, bico grande demais, potência de perfuração excessiva).

Para evitar este defeito:

aumente o foco;
use um bico menor;
defina parâmetros de entrada padrão;
faça uma pré-perfuração.

Condições para corte com oxigênio

Para o corte de metal com oxigênio, devem ser atendidas as seguintes condições:

(a) A temperatura de combustão do metal em oxigênio deve ser menor que a temperatura de fusão, caso contrário o metal funde antes de queimar em oxigênio.

(b) Os óxidos metálicos formados devem fundir a uma temperatura menor que a de combustão do metal e não devem ser muito viscosos.

(c) A quantidade de calor liberada pela queima do metal em oxigênio deve ser suficiente para sustentar o processo de corte. No corte de aço, cerca de 70 % do calor de pré-aquecimento vem da queima do metal em oxigênio e apenas 30 % da chama de pré-aquecimento.

(d) A condutividade térmica do metal não deve ser alta demais, caso contrário a dissipação intensa de calor pode interromper o corte.

Influência da composição do aço

As condições acima são mais bem atendidas por ferro puro e aços de baixo carbono. O ferro puro tem temperatura de ignição em oxigênio de 1050 °C e temperatura de fusão de 1528 °C. Com 0,7 % de carbono, a temperatura de ignição sobe para 1300 °C, igual ao início de fusão dessa composição. Segundo A. N. Shashkov, a oxidação seletiva do ferro em oxigênio durante o corte começa em cerca de 1130 °C; acima de 1300 °C inicia-se a queima intensa do carbono.

Além da composição, a temperatura de ignição é influenciada pelo estado da superfície, pelo tamanho dos pedaços e pela pressão e velocidade do fluxo de oxigênio. Uma superfície rugosa facilita a ignição. Pó de ferro pode inflamar em oxigênio puro a 315 °C — muito abaixo do metal laminado. A superfície de um pedaço grande de aço inflama a 1200–1300 °C. A 25 kgf/cm² de pressão e 180 m/s de velocidade do fluxo de oxigênio, a temperatura de ignição do aço carbono em oxigênio cai para 700–750 °C.