Hot- and Cold-Rolled Steel: Defects Affecting Laser Cutting
Obrigado a Ramazan Lee pela ajuda!
Diferenças entre chapas laminadas a frio (LF) e a quente (LQ), e qual escolher
Os produtos laminados (conformados sob pressão) apresentam diferenças significativas conforme o processo. A diferença entre as propriedades do laminado a quente e a frio é determinada pela temperatura de produção.
Principais diferenças:
- A matéria-prima para a laminação a quente é a placa (slab); para a laminação a frio, é a chapa laminada a quente.
- Para a laminação a frio são usadas exclusivamente aços de alta qualidade.
- A chapa laminada a frio tem distribuição de espessura mais uniforme e não empena durante a solda, sendo preferida nas indústrias de instrumentos, automobilística e aeronáutica.
- A espessura da chapa laminada a frio não passa de 5 mm; a da laminada a quente chega a 200 mm.
- A precisão dimensional (ângulos, comprimento, largura) é maior na chapa laminada a frio.
- A chapa laminada a frio não trinca ao dobrar.
- Em termos de resistência, durabilidade e confiabilidade, laminados a quente e a frio são equivalentes.
Chapa laminada a quente
A chapa de aço laminada a quente é um produto plano cuja espessura é muito menor que o comprimento e a largura. É fabricada por laminação a quente — processo que dá nome ao produto.
Defeitos LQ
1. Imprecisão dimensional e de forma. Desvios em espessura, comprimento e largura; variação longitudinal e transversal de espessura; ondulação.
- Causas: ajuste incorreto do laminador, desvio do regime de laminação (deformação).
- Alta variação longitudinal de espessura — causada por perfilamento ruim dos cilindros e desgaste.
- Ondulação — surge perto das bordas laterais da tira devido a redução excessiva nesses pontos. Corrige-se aumentando o abaulamento dos cilindros ou reduzindo a redução.
2. Perda de continuidade do metal. Rupturas passantes, trincas, bordas rasgadas, laminações, etc.
- Causas: principalmente metalúrgicas — violações na fusão, desoxidação e lingotamento.
- Origem na laminação:
- Rupturas passantes — formam-se onde o metal tem ductilidade bruscamente reduzida.
- Esses locais são inclusões não metálicas contínuas e bolhas internas oxidadas, que provocam trincas e bordas rasgadas. Também surgem quando o metal é superaquecido ou queimado antes da laminação.
- Lascas (slivers) — descolamentos em forma de língua. Causas: origem no lingote (durante o lingotamento), inclusões não metálicas na camada superficial, abertura de bolhas de gás, sulcos profundos em lingotes e placas.
- Laminação interna — alta contaminação das camadas internas com inclusões não metálicas.
3. Defeitos de superfície. Carepa laminada (rolled-in scale), arranhões, marcas dos cilindros.
4. Estrutura e propriedades físico-mecânicas insatisfatórias. Se a composição química está correta, os desvios decorrem do regime de deformação (especialmente nos últimos passes) e do não cumprimento das temperaturas finais de laminação e bobinamento.
Chapa laminada a frio
A chapa laminada a frio (LF) é um tipo de produto plano fabricado por laminação a frio.
Os defeitos são favorecidos pela pequena espessura dos produtos laminados a frio, muito menor que a dos laminados a quente.
A perda de homogeneidade gera trincas, furos, bordas rasgadas e laminações — sinais de matéria-prima de baixa qualidade ou de violações tecnológicas do fabricante.
Os defeitos de superfície incluem estrias escuras, saliências, marcas de pressão e decapagem insuficiente ou excessiva. Decorrem de violações do processo, particularmente da decapagem. Também podem ser causados por oxidação incorreta, marcas e saliências nas superfícies dos cilindros.
Crumb (resíduo) laminado na superfície — outro defeito que surge quando as superfícies da tira e dos cilindros não são bem limpas antes da laminação.
A chapa laminada a frio é produzida a partir da laminada a quente, removendo-se a carepa por decapagem ácida. Depois, a chapa decapada passa pelo laminador sem pré-aquecimento, atingindo a espessura requerida. A etapa final é o recozimento, que fornece as propriedades necessárias. A chapa LF é fornecida em bobinas ou cortada.
Defeitos LF
1. Perda de integridade do metal — desgaste dos cilindros.
Como as chapas LF são bem mais finas, predominam defeitos como variação transversal e longitudinal de espessura, ondulação e empenamento. Previnem-se com perfilamento ideal dos cilindros, uso de contra-flexão e controle automático da laminação.
A causa principal de defeitos desse tipo (furos, trincas, bordas rasgadas, lascas, laminações) é a baixa qualidade do laminado a quente de origem. Alguns defeitos também podem decorrer de laminação incorreta. Ao alimentar tiras empenadas com tendência a dobra longitudinal, na zona de deformação uma parte da tira desloca-se em relação à outra. Linhas claras aparecem na superfície em ângulo com o sentido de laminação — defeito chamado de corte (shear mark) (ou "espinha de peixe" se as linhas forem simétricas longitudinalmente). Causa: perfilamento inadequado dos cilindros e distribuição desigual de redução ao longo da largura.
2. Defeitos de decapagem.
Durante a decapagem podem ocorrer decapagem insuficiente ou excessiva. No primeiro caso restam faixas ou manchas escuras de carepa; no segundo, a superfície fica grosseiramente rugosa, corroída pelo ácido. Ambos exigem ajuste do regime de decapagem.
Durante a laminação podem surgir depressões (dents) ou saliências (bumps) na superfície. Depressões de variadas formas e tamanhos normalmente surgem por aderência de partículas metálicas aos cilindros — é preciso limpá-los, por exemplo com lixa esmeril ou abrasivo. Saliências surgem por amassados ou cavidades nos cilindros (de spalling); cilindros com defeitos graves devem ser trocados.
Defeito comum: crumb metálico laminado — partículas que caem na tira, frequentemente das próprias bordas com trincas ou rebarbas.
Ao tocar arestas afiadas das guias, no transporte e em outras operações, aparecem riscos e arranhões na superfície. Também podem surgir por deslizamento relativo das voltas da bobina ao bobinar, desbobinar ou movimentar.
3. Defeitos de recozimento.
Alguns defeitos superficiais surgem no recozimento. Resíduos significativos de lubrificante de processo (emulsão) na superfície pós-laminação podem provocar manchas e estrias escuras durante o recozimento, principalmente perto das bordas — chamadas de queima de emulsão. Para evitar: não usar emulsões muito concentradas e remover ao máximo o lubrificante após a laminação, por exemplo soprando ar.
Resumo
Desvios de estrutura e propriedades físico-mecânicas dependem principalmente do cumprimento dos regimes de tratamento térmico. Além disso, os regimes de deformação têm forte influência e devem ser escolhidos considerando as propriedades finais. Outro problema é a tensão interna na chapa devido ao curto tempo do ciclo térmico, à pequena profundidade da ZTA, etc.
Problemas de corte enfrentados pelos operadores
Tensões internas
Normalmente as tensões internas estão totalmente equilibradas e não há efeito visível sobre a chapa, até que esse equilíbrio seja perturbado. Quando rompido (por carga externa, remoção de uma camada de material como sobremetal, ou pelo corte), a chapa começa a se deformar até a redistribuição das tensões alcançar novo equilíbrio. Tais deformações são chamadas deformações residuais.
A causa direta das tensões internas é a não uniformidade das alterações lineares ou volumétricas em macro e microvolumes do metal.
Nas altas temperaturas do corte a laser ocorrem transformações de fase: o metal muda de estrutura, a rede cristalina e o volume da célula unitária mudam, gerando tensões internas.
O sistema torna-se não uniforme. Na zona de atuação do laser (a peça processada) formam-se regiões com propriedades distintas do volume principal. Se sua concentração for significativa e as tensões superarem certo limiar, o sistema (chapa, peça, amostra) perde estabilidade e se deforma.
A tese de processamento a laser "sem deformação" deve ser entendida assim: as deformações podem ser muito menores do que nos métodos tradicionais de tratamento térmico (talvez ordens de magnitude), mas existem. A tarefa do tecnólogo é entender suas causas e minimizá-las — o laser oferece essa oportunidade.
No corte a laser, o aporte de calor é maior na superfície e menor nas camadas inferiores. O metal se dilata ao aquecer, mas como a temperatura é maior na superfície, as fibras superiores se alongam mais; pelo alongamento menor das fibras inferiores surgem tensões internas. Quando a tensão atinge valor crítico (alongamento superior muitas vezes maior que o inferior), a peça se curva para cima, e devido a alterações estruturais irreversíveis essas deformações são plásticas (irreversíveis).
Métodos para combater deformações térmicas no corte a laser
- Estado de tensão da chapa antes do corte. Para chapas sem tratamento térmico prévio, aplique recozimento ou alívio de tensões para eliminar tensões internas.
- Dimensões gerais das peças (tamanho e espessura). Quanto maior a espessura e menor a razão tamanho/espessura, menor a deformação — pelo aquecimento mais uniforme.
- Fixação da chapa. Fixe com sargentos ou outros dispositivos. Recomenda-se corte contínuo com posterior corte das micro-junções (tabs) após o resfriamento completo.
- Refugo após o corte. Deformação mínima é obtida quando a área da peça é comparável à da chapa-base — assim o refugo se deforma mais que a peça. Em cortes de precisão, o refugo deve ter mais liberdade de movimento que a peça.
- Velocidade de corte. Velocidades maiores reduzem o calor absorvido por unidade de comprimento, diminuindo a deformação.
- Posição da chapa durante o corte. A chapa não deve afundar sob o aquecimento local. Prefira mesas com muitas ripas (slats).
- Aquecimento uniforme reduz fortemente as tensões internas. Em corte reto, cortar do centro para as bordas. Use ordenação adequada das peças no nesting; em peças complexas, corte em seções opostas; use o método de retorno em degraus (back-step), etc.
- Resfriamento adicional por sopro de ar.
- Modo de corte pulsado.
- Furação inicial (piercing) com a função de pré-furação ativada.
- Com empenamento visível ("barriga" da chapa), posicione com o defeito para cima; use espaçamento adequado entre peças (≥10 mm); use micro-junções; pode virar a chapa se cortar com cortes comuns e micro-junções bem posicionadas.
Lembre-se: antes de cortar, a chapa deve estar livre de ferrugem e desengordurada. Se chegou oleada, limpe-a.