Publicada em

18/12/2008

Roberto Torres Amoros

26 – Avaliação de tensões residuais em chapas planas de aço carbono, destinadas a processos de corte a laser, pelo método da anisotropia planar

Resumo

O direcionamento deste trabalho está no estudo das tensões residuais de materiais (chapas de aço carbono) que possam interferir na qualidade de processamento necessária para o bom desempenho nos processos de corte a laser. Para tanto, foi avaliada uma metodologia para análise de materiais, especificamente, chapas em aço carbono, laminadas a quente, em relação às tensões residuais, sendo apresentados tópicos referentes à fabricação e à aquisição de materiais, anisotropia, métodos de análise de tensões residuais pela técnica do “furo cego” e pela extensometria. Os resultados apresentados partiram de análises de amostras utilizadas na indústria e indicam uma forma de avaliar se um material pode apresentar tensões durante o corte a laser que prejudiquem o processo, diminuindo com isto as paradas de equipamento, refugo de material e manutenções não programadas por colisões entre a cabeça de corte e o material, gerando não conformidades no processo. O trabalho iniciou com uma apresentação sobre as tensões residuais, suas características e processos geradores como a laminação. Foi apresentada uma breve explanação sobre o princípio do corte a laser, bem como métodos de avaliação de tensões residuais. O método sugerido de investigação foi o da anisotropia planar e seus resultados foram aferidos com análises de tensões residuais pela técnica do furo cego e extensometria uniaxial. A técnica anisotropia planar demonstrou ser efetiva para a verificação de tensões residuais em chapas planas de aço carbono destinadas ao corte a laser. Os resultados indicaram que quanto mais próximo foram de zero, menores foram os efeitos da tensão residual após o corte a laser, sendo considerado um método eficaz à seleção prévia para esta classe de material. A análise dimensional em relação à ondulação das amostras, após o processo de corte a laser, confirmou que a identificação dos seus desempenhos práticos foi coerente com as necessidades e exigências do processo, ou seja, as amostras consideradas “ótimas”, “no limite de aceitação” e “sem condições de uso” para o processo, apresentaram medidas de flechas compatíveis aos limites sugeridos pelo equipamento de corte a laser. Para a análise de tensões foram efetuados testes com dois métodos: técnica do furo cego e extensometria uniaxial. Nos dois métodos os resultados acompanharam as características dos materiais definidas na utilização prática em relação ao seu desempenho, confirmadas na medição física e comprovadas na anisotropia planar. A análise de tensões residuais com a técnica do furo cego não demonstrou ser eficaz em função da não uniformidade das tensões ao longo da espessura do material, porém os valores encontrados nas variações de tensões máximas após o furo cego em cada amostra comprovaram que os desempenhos indicados nestas amostras seguiram as suas características pré definidas, ou seja, quanto menor foi a amplitude média das tensões, melhor foi o desempenho do material. A análise das tensões pela extensometria uniaxial das amostras foi executada durante o corte no equipamento a laser com respectiva medição das tensões: antes, durante e após o corte finalizado. Foram obtidos valores que demonstraram o desempenho do material em processo, sendo que quanto menor foi a tensão final resultante, após o corte a laser, melhor foi o desempenho da amostra. O método de anisotropia planar em comparação aos métodos convencionais de análise de tensões residuais apresentou maior simplicidade na avaliação dos resultados, tanto na padronização e facilidade da confecção das amostras como na capacitação de mão de obra. O método de furo cego, por exemplo, necessitou de cuidados especiais em todas as fases de preparação dos materiais, requerendo ainda de sensores e “softwares” importados. Apesar da análise de anisotropia planar ser de utilização usual nas usinas e laboratórios de testes, principalmente, na determinação da qualidade embutimento de materiais, o método teve caráter inédito quando se tratou de relacionar seu resultado com a análise de tensão residual e possível deformação em chapas planas submetidas a corte a laser (não foram encontradas referências com esta abordagem). Este método pode ser preferencialmente empregado nas usinas produtoras de aço, desta forma, garantindo e selecionando os materiais para o processo de corte a laser. Os equipamentos para o teste de tração para a análise de anisotropia são de uso contínuo destas empresas, portanto, trata-se de uma metodologia que pode ser incorporada aos testes já realizados.

Abstract

The focus of this work is to study residual stresses of materials (plate of carbon steel) that can interfere with the quality of processing required for good performance in the processes of laser cutting. For such, a methodology was assessed to analyze the materials, specifically, plates of carbon steel, hot-rolled, in relation to residual stresses, presenting topics relating to the manufacture and purchase of materials, anisotropy, analysis of residual stresses by the technique of “blind hole” and extensometry. The presented results came from the analysis of samples used in industry and suggest a way of evaluation whether a material can produce stresses during laser cutting that ruin the process, reducing the equipment stoppage, scrap of material and unscheduled maintenance by collisions between the cutting head and material, creating non-conformities in the process. The work has started with a presentation about residual stresses, its features and process generators such as lamination. A brief explanation was given regarding the principle of laser cutting and methods of assessment residual stresses. The method of investigation suggested was based on planar anisotropic and their results were measured with analysis of residual stresses by means of hole drilling and uniaxial extensometry. The planar anisotropic technique proved effective for checking residual stresses formed on plates of flat carbon steel for the purpose of laser cutting. The results indicated that, as close to zero they were as lesser the effects of residual stresses after laser cutting, settling an effective method for prior selection with this class of material. The dimensional analysis over the ripples in the samples after the laser cutting process, confirmed that the performance was consistent with the practical needs and requirements of the process, in other words, the samples considered “excellent”, “under the range of acceptance” and “without conditions of use” for the process, pointed arrows measurement compatible to the limits suggested by the laser cutting equipment. For the analysis of stresses, tests were performed by two methods: hole drilling and the uniaxial extensometry. In both methods the results followed the characteristics of the materials defined in practical use in relation to their performance, confirmed with physical measurement and proved with the planar anisotropy. The analysis of residual stresses with the hole drilling technique has not shown to be effective due to the non-uniformity of stresses along the thickness of the material, however, the values found in the maximum tension variations after the hole drilling in every sample, validated that the performance indicated in these samples followed the predefined characteristics, in other words, as low was the tension amplitude average as better was the performance of the material. The stress analysis by means of uniaxial extensometry of the samples was performed during the laser cutting with the measurement of the strains: before, during and after the cut has been completed. The results proved the efficiency of the material in the process, where as low were the resultant tension as better the performance of the sample after laser cutting. The planar anisotropy method in comparison to the usual methods of residual stresses analysis showed greater simplicity in the evaluation of results, as in standardization and ease of samples preparation as in the labor training. The hole drilling method, for instance, demanded special attention at all stages of material preparation, including the usage of additional sensors and imported software. Although the analysis of planar anisotropy be usually employed in factories and testing laboratories, specially for determination of quality in embedded materials, the method presented unique feature when it came to relate their results with the analysis of residual stresses and possible deformation in flat plates subjected to laser cutting (no references with this approach has been found). This method can be employed in factories that produce steel, ensuring and selecting the proper materials for laser cutting process. The equipment for traction test in anisotropy analysis are continuously used for these companies, so it is a methodology that can be incorporated into the tests already performed.

Data da defesa: 18/12/2008

Banca Examinadora

Orientador: Kleber Franke Portella (Lactec)
Co-Orientador: Paulo Cesar Okimoto (UFPR)
Membro da Banca: Renato de Arruda Penteado Neto (Lactec)
Membro da Banca: Rene Robert (UFPR)

Palavra(s)-Chave: Tensões Residuais; Anisotropia; Extensometria; Corte a Laser.

Keywords: Residual Stresses; Anisotropy; Extensometry; Laser cut.

Utilizamos cookies para oferecer melhor experiência, melhorar o desempenho, analisar como você interage em nosso site e personalizar conteúdo. Ao utilizar este site, você concorda com o uso de cookies.