Análise da Microestrutura em Amostras Cortadas a Laser a Partir de Chapas de Aço com e sem Revestimento de Zinco Ou Alumínio

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1 Publication: 97 Meeting of Red Iberoamericana sobre Procesamiento de Materiales por Laser, CYTED Program, Belo Horizonte, MG, Brazil; 05/1997 Análise da Microestrutura em Amostras Cortadas a Laser a Partir de Chapas de Aço com e sem Revestimento de Zinco Ou Alumínio Edgardo Gerck - LASERTECH 1 - UNICAMP/FEM/DEF Jorge L. Lima - LASERCAM 2 - UNICAMP/FEM/DEF ABSTRACT This paper complements a experimental study carried out about the influence of laser power output parameters and material parameters on the results of the laser cutting of geometrical profiles in zinc or aluminum coated mild steel sheets and uncoated mild steel sheets. Here, the aim is to characterize the base metal microstructural morphology and the surface coating layer in the near cutting edge region of the laser cutting samples and its correlation with the others parameters. The metallographic examination of the selected cut samples shown the occurrence of a Heat Affected Zone (HAZ) with a width ranging from 40 mm to 70 mm, which is characterized by a typical microstructural phase. It was observed that the HAZ width varies according to the change of each process parameter, with a remarkable influence of the presence and the kind of surface coating. The experimental results are presented in tables and cut samples microphotographs. Keywords: metals laser cutting, microestructural analysis, metalic coatings. (originally written in Portuguese, delivered in Portuguese and Spanish) 1 Campinas - SP Brasil. Current author's corresponding ed@gerck.com 2 Divisão da LASERTECH S/A para serviços de usinagem a laser em materiais. (c) Copyright by the authors, 1997

2 RESUMO Este trabalho complementa um estudo experimental realizado sobre a influência dos parâmetros da saída de potência laser e do material sobre os resultados do corte a laser de perfis geométricos em chapas de aço carbono com revestimento de zinco ou alumínio e chapas sem revestimento. Aqui, o objetivo foi caracterizar a morfologia microestrutural do metal-base e a camada de revestimento superficial na região da face de corte das amostras cortadas a laser e sua correlação com os demais parâmetros. A análise metalográfica das amostras selecionadas indicou a ocorrência de uma Zona Termicamente Afetada (ZTA) variando entre 40 mm a 70 mm, caracterizada por uma fase microestrutural típica. Foi observado que a extensão da ZTA varia de acordo com a mudança de cada parâmetro do processo, havendo uma influência marcante da presença e do tipo de revestimento. Resultados são apresentados na forma de tabelas e microfotografias de amostras experimentais. Palavras-chaves: corte a laser de metais, análise microestrutural, revestimentos metálicos, 1. INTRODUÇÃO O resultado, em termos macroscópicos, da qualidade obtida por uma peça cortada a laser a partir de chapas de aço carbono pode ser notavelmente alterado pela colocação sobre elas de um revestimento de zinco ou alumínio, como foi verificado experimentalmente, exigindo, desse modo, a seleção de parâmetros otimizados do modo de saída de potência laser para a obtenção de uma boa qualidade final. 2

3 A observação da microestrutura do metal base na região da face de corte pode proporcionar subsídios para uma análise do fenômeno mencionado. Particularmente, a caracterização da Zona Termicamente Afetada (ZTA) é um importante meio de compreender os mecanismos de entrada e condução de calor no material sobre a linha de corte. O corte a laser de materiais ferrosos, no entanto, é um fenômeno muito complexo pois, além do simples mecanismo de absorção da energia do laser e condução térmica, ocorrem mecanismos convectivos e reações químicas na camada de material fundido durante o corte em razão da incidência do jato de oxigênio sobre ele. Além disso, o processo de corte a laser, diferentemente de outros processos de corte térmico, envolve uma transferência de calor extremamente rápida, com altíssimas temperaturas e gradientes térmicos, o que dá origem à formação de fases microestruturais metaestáveis. Desse modo, a análise termodinâmica convencional da não é adequada para descrever a formação da ZTA no material. Dada a importância desse enfoque na microestrutura do material para um melhor entendimento da influência exercida sobre o resultado final do processo de corte a laser de chapas de aço pela adição de um revestimento superficial metálico foi realizada, como complemento do experimento de corte, uma análise metalográfica em amostras retiradas de peças selecionadas, cortadas a laser a partir de chapas com e sem revestimento de zinco ou alumínio. 3

4 2. PROCEDIMENTO EXPERIMENTAL Todo o procedimento experimental de preparação metalográfica das amostras seguiu a norma ASTM relacionada. A seleção das peças para a retirada de amostras para a análise metalográfica levou em consideração a cobertura do maior número possível de diferentes parâmetros do laser e do material. A tabela 1 a seguir lista as peças selecionadas e as características do material e do processo pertinentes a cada uma. TABELA 1- Peças selecionadas para a retirada de amostras metalográficas. Peça Revestimento Regime de saída de potência laser e conjunto de parâmetros Espessura da chapa (mm) AA2-4 alumínio Contínuo / conjunto 2 1,5 AA4-2 alumínio Superpulso / conjunto 4 1,5 AA5-5 alumínio Superpulso / conjunto 5 1,5 AA5-10 alumínio Superpulso / conjunto 5 1,5 G201-7 zinco Contínuo / conjunto 1 2 G205-1 zinco Superpulso / conjunto 5 2 G205-2 zinco Superpulso / conjunto 5 2 G205-3 zinco Superpulso / conjunto 5 2 AC201-1 nenhum Contínuo / conjunto 1 2 AC202-9 nenhum Contínuo / conjunto 2 2 AC204-5 nenhum Superpulso / conjunto 4 2 AC205-9 nenhum Superpulso / conjunto 5 2 A região das peças escolhida para o corte e embutimento está esquematizada na figura 1, localizada adiante, onde também é mostrada a face de interesse para a análise metalográfica. 4

5 FIGURA 1 - Parte das peças selecionadas para corte e embutimento em resina termofixa, com a indicação do local de medida da ZTA. Após o corte, embutimento e polimento das amostras, foi realizado o ataque químico das superfícies com Nital a 2% durante 15 segundos. As amostras foram identificadas e levada para observação em um banco metalográfico CARL ZEISS-Neophot 32 Ô, tipo luz refletida, com faixa de ampliação de 10X a 2000X. Na seqüência experimental, foram realizadas as microfotografias das amostras no banco metalográfico. 3. Resultados e Conclusões O ciclo térmico do processo de corte a laser produziu no aço uma zona termicamente afetada adjacente à aresta de corte, variando entre 40 e 70 mm de 5

6 espessura, com uma fase microestrutural, nitidamente visível a partir de aumentos de 200X das amostras metalográficas atacadas com Nital a 2%. Esta fase apresenta glóbulos irregulares dispersos em uma matriz homogênea. O tamanho, densidade de distribuição e extensão destes glóbulos varia com o ciclo termodinâmico e com a potência laser aplicada durante o corte. Com o aumento das taxas de condução de calor e diminuição da potência média do laser, em função do conjunto de parâmetros laser utilizados, os componentes desta fase apresentam-se com menor tamanho médio, porém com uma maior densidade de distribuição e extensão, conforme mostrado na tabela 2, onde aparece também na a espessura medida da camada de revestimento por face da chapa. Uma hipótese provável sobre a presença desta fase no aço é que ela poderia ser uma fase metaestável formada exclusivamente em processos com ciclos térmicos extremamente rápidos envolvendo taxas de transferência de calor extremamente altas, como é o caso do processo de corte a laser com auxílio gasoso em metais, onde concorrem tempos de interação extremamente curtos e diferenças de temperatura entre o ponto focal do laser e o material da ordem de dezenas de milhares de graus Celsius [1]. Em chapas com revestimento de zinco ocorrem efeitos de sopramento da camada de revestimento na face de entrada do laser e de empoçamento da mesma na face de saída. Estes efeitos são muito menos pronunciados nas chapas com revestimento de alumínio, em muito devido às propriedades térmicas do alumínio. Este efeito pode ser relevante em aplicações posteriores de fabricação destas peças cortadas a laser, como, por exemplo em soldagem. 6

7 A tabela 2, originada a partir de medições no banco metalográfico e microfotos das amostras em aumentos de 160X a 625X, permite deduzir, através dos valores da largura das camadas de revestimentos e da largura da ZTA, que ocorre um aporte maior de energia térmica nas peças cortadas com o laser funcionando em regime de onda contínua do que em relação ao regime em superpulso para um mesmo nível de potência média, o que explica a redução de ocorrência de superaquecimento durante o corte das regiões da peça que apresentam aspectos termo-geométricos desfavoráveis, tais como cantos e ângulos agudos. Além disso, pela tabela 2 é visto que as ZTA s nas chapas revestidas com alumínio é proporcionalmente maior, o que é devido à maior densidade de potência necessária para vencer a refletividade superficial do alumínio na frente de corte. TABELA 2 Espessuras da ZTA e dos revestimentos superficiais de zinco e alumínio, por face, das amostras, medidas através das microfotografias das mesmas (200X, ataque de Nital a 2%). Código de Peça Espessura de peça (mm) Espessura da ZTA (mm) ± 2,5 mm Espessura da camada de zinco (mm) ± 2,5 mm Espessura da camada de alumínio (mm) ± 2,5 mm AC ,0 60 AC ,0 50 AC ,0 55 G , G , G , G , AA2-4 1, AA4-2 1, AA5-5 1, AA5-10 1,

8 Adiante, após as referências bibligráficas, são apresentadas algumas microfotografias realizadas sobre amostras, onde notam-se as fases microestruturais da ZTA com seus glóbulos de tamanho, densidade e extensão variável segundo os parâmetros laser/material. REFERÊNCIAS [ 1 ] - MAILLET, H. (Ed.) et alli, O LASER - Princípios e Técnicas de Aplicação, tradução do francês Le Laser - Principes et Techniques d Application ; Ed. Manole, São Paulo, SP, 1987, cap. 6 [ 2 ] - MAZUNDER, J., STEEN, W. M., Heat transfer model for CW laser material processing, Journal of Applied Physics, v.51, n.2, 1980, p.941. [ 3 ] - POWELL, J., FRASS, K., MENZIES, I.A., FUHR, H., CO 2 laser cutting of nonferrous metals; In: High Power CO 2 Lasers Systems and Applications, Proceedings of SPIE 1020, 1989, p MICROFOTOS 8

9 FIGURA 2 - Camada de revestimento de alumínio sobre chapa de aço A peça é AA4-2. Aumento: 500X Nital 2% FIGURA 3 - Camada de revestimento de zinco sobre chapa de aço A peça representada na foto é a G Aumento: 500X Sem ataque químico 9

10 FIGURA 4 - Região da aresta de corte na peça G151-1, onde nota-se a fase microestrutural formada na ZTA. Aumento: 500X Nital 2% FIGURA 5 - Região da face de entrada na peça AC Percebe-se a fase formada na ZTA, à esquerda. Aumento: 160X Nital 2% 10

11 FIGURA 6 - Região da face de entrada na peça AC Percebe-se a fase microestrutural formada na ZTA, à direita. Aumento: 160X Nital 2% FIGURA 7 - Região de entrada do feixe laser em peça com revestimento de alumínio AA4-2. Um reduzido efeito de sopramento na camada de Al é verificado (esquerda na foto), assim como a entrada de parte do revestimento da chapa na face de corte da peça. Aumento: 200X Nital 2% 11

12 FIGURA 8 - Borda inferior (à esquerda) da peça AA4-2 apresentando um discreto de empoçamento, próximo à aresta de corte. Aumento: 500X Nital 2% 12