Laser Cutting of Stainless Steel

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Informações gerais sobre o aço inoxidável

Os aços inoxidáveis contêm no mínimo 12 % de cromo como elemento de liga. A superfície do inox polido apresenta brilho espelhado, longa durabilidade e capacidade de autorregeneração. A elevada resistência à corrosão deve-se a um filme de óxidos insolúveis dos elementos da liga, que se renova espontaneamente em contato com o oxigênio do ar. Esse revestimento restaura sua integridade sozinho sempre que sofre danos.

Como elementos de liga são utilizados: cromo, níquel, silício, manganês, molibdênio, tungstênio, nióbio, boro, cobre, vanádio, titânio, etc. O percentual de aditivos e o processo de liga definem as propriedades físicas, mecânicas e químicas do aço.

As características anticorrosivas são conferidas ao metal ferroso pelos teores de cromo e níquel — eles também dão ao aço a cor clara e o brilho. A liga com níquel impede a interação do ferro com a água na presença de oxigênio. Já o cromo acima de 12 % forma instantaneamente um filme protetor uniforme na superfície do massivo metálico, bloqueando a reação química entre as moléculas de oxigênio e os átomos de ferro.

Classificação dos aços ligados

Por grau de liga:

aço de baixa liga — elementos de liga até 2,5 %;
aço de média liga — elementos de liga de 2,5 a 10 %;
aço de alta liga — elementos de liga de 10 a 50 %.

Por propriedades:

resistência normal e elevada;
resistente ao frio;
resistente ao calor (termoestável);
resistente à corrosão atmosférica e à corrosão em água do mar;
endurecíveis por tratamento térmico e termoquímico, etc.

Por aplicação:

Aços ligados estruturais. Empregados na fabricação de estruturas soldadas.
Aços para construção mecânica. Empregados na produção de peças de máquinas, mecanismos e carcaças.
Aços para ferramentas. Empregados na fabricação de ferramentas.

Dificuldades no processamento do aço inoxidável

As dificuldades estão ligadas às propriedades da liga:

o alto teor de aditivos de liga pode provocar a formação de escória na superfície do corte;
na zona de aquecimento formam-se óxidos refratários, dificultando a passagem do laser pela linha de corte e aumentando o consumo de energia;
os aços de alto cromo e cromo-níquel apresentam baixa fluidez, o que também complica o processo de corte.

Processo de corte do aço inoxidável

O processo ocorre em etapas:

aquecimento;
fusão;
vaporização gradual dos elementos formados pela decomposição do material.

O feixe de laser é uma fonte de calor na qual se concentra um gás de alta temperatura. O feixe tem secção de 10–20 µm e densidade de potência de 100 MW/cm². Em uma área tão pequena, essa quantidade de energia é mais do que suficiente para fundir o material instantaneamente. Graças ao processo termofísico, o aço se separa e a estrutura do metal se altera apenas na zona de contato.

Características do aço inoxidável

A base deste aço é ferro misturado com cromo. Dependendo do fabricante, são adicionados níquel e outros compostos de liga para aprimorar as propriedades.

O inox tem alta resistência à corrosão e longa vida útil (várias décadas). Suas propriedades não se alteram mesmo após anos de operação. O inox é amplamente utilizado para chapas, telas, tubulações etc.

Principais elementos de liga

Níquel. Presente em aços inoxidáveis austeníticos; afeta o acoplamento de energia e a troca de calor, limitando a espessura cortável para uma dada potência do feixe laser.
Cromo. Elemento formador de ferrita. Usado tanto isoladamente como em conjunto com outros. Sua introdução amplia o intervalo de solidificação e aumenta a resistência e a dureza sem alterar a ductilidade. Já 1 % melhora as propriedades mecânicas; com 5 % aumenta a resistência ao calor, enquanto ligas resistentes a ácidos e ao calor contêm cromo em teores ainda mais altos, podendo chegar a 28 %.
Silício. Formador de ferrita. Não altera as propriedades viscosas, mas aumenta o limite de resistência e de escoamento, a permeabilidade magnética e a condutividade elétrica. Melhora ductilidade, resistência a ácidos e propriedades de resistência.
Manganês. Formador de austenita; melhora a temperabilidade e eleva o limite de fluidez do metal. Aumenta a resistência ao desgaste e ao impacto.
Molibdênio. Eleva significativamente dureza, resistência e temperabilidade. Concentrações máximas estão em aços resistentes ao calor e aços rápidos; em aços estruturais normalmente não passa de 0,4 %.
Tungstênio. Aditivo formador de carbonetos que aumenta limites de resistência e dureza. Adicionado a ligas para ferramentas de corte rápido em até 18 %, otimiza a resistência a quente e ao impacto.
Nióbio. Forte formador de carbonetos. Em aços inoxidáveis é adicionado para minimizar a corrosão intergranular; em aços ao manganês, para reduzir a fragilidade de revenimento.
Boro. Aumenta a temperabilidade. É a melhor alternativa para substituir o caro molibdênio e níquel.
Cobre. Sua adição eleva o limite de escoamento, a ductilidade e a resistência aos processos corrosivos. Na construção naval combate eficazmente a incrustação da parte submersa do casco por algas e cracas.
Vanádio. Agente formador de carbonetos que aumenta a resistência e eleva a tenacidade. Ligas com vanádio têm excelente resistência ao impacto e inércia às tensões, mas são muito caras.
Titânio. Fixando o carbono em carbonetos estáveis, refina os grãos de austenita e reduz a tendência à corrosão intergranular. Aumenta a resistência a ácidos e, junto com outros formadores de carbonetos, favorece a autotêmpera do aço.

Corte a laser de aço inoxidável com gás inerte e oxigênio

O corte a laser com gás inerte e verdadeiramente inerte é o processo mais aplicado para aço inoxidável. O corte a laser com oxigênio também é usado quando a oxidação da borda não é crítica. A seguir discute-se o corte a laser do inox com gás inerte (nitrogênio) e gás ativo (oxigênio) como gases de assistência, além de questões de segurança no trabalho para ambos os processos.

No corte a laser com gás inerte (também chamado de corte por fusão a laser), o feixe laser é a única fonte de calor e o jato de gás inerte de alta pressão fornece a força mecânica para expelir o material fundido.

Os aços inoxidáveis têm condutividade térmica relativamente baixa, o que permite cortá-los em velocidades relativamente altas: a energia permanece na frente de corte em vez de se dissipar no material à frente da borda de corte.

O nitrogênio é o gás de assistência mais usado nessa técnica de corte, devido ao baixo custo e à baixa reatividade química em comparação a gases verdadeiramente inertes como argônio e hélio.

O corte com nitrogênio produz bordas de alta qualidade, e a velocidade de corte costuma ser maior do que com oxigênio.

A adesão na borda inferior do material, causada pela alta viscosidade do material fundido, pode ser um problema no corte com nitrogênio, mas geralmente é resolvida com pressão de gás de assistência muito alta. Nitrogênio em alta pressão é usado quando a qualidade da borda é mais importante do que a velocidade.

O nitrogênio é o gás preferido para cortar aço inoxidável, aços de alta liga, ligas de alumínio e níquel; é preciso pressão de gás mais alta para remover o material fundido do corte. A alta pressão de gás fornece força mecânica adicional para expulsar o material fundido da fenda. Com corte a alta pressão de nitrogênio no inox obtém-se uma borda brilhante e sem óxido, mas a velocidade é menor do que com argônio ou hélio.

O principal problema do corte com gás inerte é a formação de rebarbas de material depositado no lado inferior da fenda. A solução vem da otimização dos principais parâmetros do processo: diâmetro do bico, posição do foco e pressão do gás.

A pressão do nitrogênio fica na faixa de 10–20 bar e aumenta com a espessura do material. A pureza do nitrogênio gasoso deve ser superior a 99,8 %.