Hot- and Cold-Rolled Steel: Defects Affecting Laser Cutting
Merci à Ramazan Lee pour son aide !
Différences entre tôles laminées à froid (LF) et à chaud (LC) — laquelle choisir
Les produits laminés (mis en forme sous pression) diffèrent sensiblement selon le procédé. La différence entre les propriétés des produits laminés à chaud et à froid tient à la température du procédé.
Principales différences :
- La matière première pour le laminage à chaud est la brame (slab) ; pour le laminage à froid, c'est la tôle laminée à chaud.
- Contrairement au LC, le LF utilise exclusivement des nuances d'acier de haute qualité.
- La tôle LF présente une répartition d'épaisseur plus uniforme et ne se déforme pas au soudage, ce qui la rend privilégiée en instrumentation, automobile et aéronautique.
- L'épaisseur des tôles LF n'excède pas 5 mm ; celle des LC peut atteindre 200 mm.
- La précision dimensionnelle (angles, longueur, largeur) est supérieure pour le LF.
- La tôle LF ne fissure pas au pliage.
- En résistance, durabilité et fiabilité, LC et LF sont équivalents.
Tôle laminée à chaud
La tôle d'acier laminée à chaud est un produit plat dont l'épaisseur est très inférieure à la longueur et à la largeur. Elle est fabriquée par laminage à chaud — procédé qui donne son nom au produit.
Défauts LC
1. Imprécision dimensionnelle et de forme. Écarts d'épaisseur, longueur, largeur ; variation longitudinale et transversale d'épaisseur ; ondulation.
- Causes : mauvais réglage du laminoir, écart par rapport au régime de laminage (déformation).
- Variation longitudinale élevée d'épaisseur — provoquée par un mauvais profilage des cylindres et leur usure.
- Ondulation — apparaît près des rives de la bande à cause d'une réduction excessive locale. Remède : augmenter la bombée des cylindres ou réduire la réduction.
2. Perte de continuité du métal. Ruptures traversantes, fissures, rives déchirées, dédoublures, etc.
- Causes : principalement métallurgiques — non-respect de la fusion, désoxydation et coulée.
- Origine laminage :
- Ruptures traversantes — se forment là où le métal présente une ductilité fortement réduite.
- Ces zones sont des inclusions non métalliques continues et des bulles internes oxydées, à l'origine de fissures et de rives déchirées. Elles apparaissent aussi en cas de surchauffe ou de brûlage du métal avant laminage.
- Pailles (slivers) — décollements en forme de langue. Causes : origine lingot (apparues à la coulée), inclusions non métalliques dans la couche superficielle, ouverture de bulles gazeuses, sillons profonds sur lingots et brames.
- Dédoublure (lamination) — forte contamination des couches internes par des inclusions non métalliques.
3. Défauts de surface. Calamine incrustée (rolled-in scale), rayures, empreintes des cylindres.
4. Structure et propriétés physico-mécaniques insatisfaisantes. Si la composition chimique est correcte, les écarts sont dus aux écarts du régime de déformation (surtout aux dernières passes) et au non-respect des températures finales de laminage et d'enroulement.
Tôle laminée à froid
La tôle LF est un type de produit plat fabriqué par laminage à froid.
Les défauts sont favorisés par la faible épaisseur des produits LF, bien inférieure à celle des LC.
La perte d'homogénéité produit fissures, trous, rives déchirées et dédoublures — signes d'une mauvaise qualité de matière première ou d'écarts technologiques du fabricant.
Défauts de surface : bandes sombres, bosses, empreintes, ainsi que sous-décapage et sur-décapage. Ils résultent de défauts du procédé, notamment du décapage. Ils peuvent aussi provenir d'une oxydation incorrecte ou d'empreintes/saillies sur les cylindres.
Miettes incrustées en surface (rolled-in crumb) — autre défaut, lorsque les surfaces de la bande et des cylindres n'ont pas été correctement nettoyées avant le laminage.
La tôle LF est produite à partir de tôle LC après élimination de la calamine par décapage acide. La tôle décapée passe ensuite au laminoir sans préchauffage jusqu'à atteindre l'épaisseur requise. L'étape finale est le recuit, qui confère les propriétés requises. Livraison en bobines ou tôles à plat.
Défauts LF
1. Perte d'intégrité du métal — usure des cylindres.
Les tôles LF étant beaucoup plus minces, dominent les défauts d'épaisseur transversale et longitudinale, l'ondulation et le gauchissement (buckling). On les prévient par un profilage optimal des cylindres, la contre-flexion et le pilotage automatique du procédé.
La cause principale de ces défauts (trous, fissures, rives déchirées, pailles, dédoublures) est la mauvaise qualité du LC d'origine. Certains défauts peuvent également apparaître à cause d'un laminage incorrect. Lorsqu'on engage dans les cylindres des bandes gauchies tendant à former un pli longitudinal, une partie de la bande se déplace par rapport à l'autre dans la zone de déformation. Des lignes claires apparaissent en surface sous un angle par rapport au sens de laminage — défaut appelé cisaillement (shear mark) (ou « arête de poisson » si les lignes sont symétriques en longueur). Cause : profilage inadéquat et répartition inégale de la réduction sur la largeur.
2. Défauts de décapage.
Lors du décapage des bandes LC, sous-décapage et sur-décapage sont possibles. Premier cas : bandes ou taches sombres de calamine non décapée ; second cas : surface grossièrement rugueuse, corrodée par l'acide. Les deux exigent un ajustement du régime de décapage.
Au laminage, des creux (dents) ou des bosses peuvent se former sur la bande. Les creux de formes et tailles variées proviennent généralement de l'adhérence de particules métalliques aux cylindres — il faut nettoyer ces derniers, par exemple à la toile émeri ou à la pierre abrasive. Les bosses apparaissent en présence de creux ou de piqûres sur les cylindres (par spalling) ; les cylindres très endommagés doivent être remplacés.
Défaut courant : miettes métalliques incrustées (rolled-in crumb) — particules tombant sur la bande, souvent issues des rives présentant fissures ou bavures.
Au contact d'arêtes vives des guides, lors du transport et d'autres opérations, des rayures et stries apparaissent. Elles peuvent aussi résulter du glissement relatif des spires de la bobine lors de l'enroulement, du déroulage et des manutentions.
3. Défauts de recuit.
Certains défauts de surface apparaissent lors du recuit. En présence de résidus importants de lubrifiant de process (émulsion) sur la surface après laminage, des taches et coulées sombres peuvent apparaître au recuit, surtout près des rives — défaut appelé brûlure d'émulsion. Pour l'éviter : éviter les émulsions trop concentrées et retirer au maximum le lubrifiant après laminage, par exemple par soufflage d'air.
Synthèse
Les écarts de structure et de propriétés physico-mécaniques dépendent surtout du respect des régimes de traitement thermique prescrits. Les régimes de déformation ont aussi une grande influence et doivent être choisis en fonction des propriétés finales. Autre problème : les contraintes internes du fait du court cycle thermique, de la faible profondeur de la ZAT, etc.
Problèmes de coupe rencontrés par les opérateurs
Contraintes internes
Normalement, les contraintes internes sont totalement équilibrées et n'ont pas d'effet visible sur la tôle, jusqu'à ce que cet équilibre soit rompu pour une raison ou une autre. Lorsque l'équilibre est rompu (charge externe, enlèvement d'une couche en tant que sur-épaisseur, ou découpe), la tôle commence à se déformer jusqu'à ce que la redistribution des contraintes aboutisse à un nouvel équilibre. Ces déformations s'appellent déformations résiduelles.
La cause directe des contraintes internes est l'hétérogénéité des changements linéaires ou volumiques dans les macro- et micro-volumes du métal.
Aux hautes températures de la découpe laser surviennent des transformations de phase : le métal change de structure, le réseau cristallin et le volume de la maille élémentaire changent, et des contraintes internes apparaissent.
Le système devient hétérogène. Dans la zone d'action du laser (la pièce traitée) se forment des régions aux propriétés différentes du volume principal. Si leur concentration devient significative et que les contraintes dépassent un certain seuil, le système (tôle, pièce, échantillon) perd sa stabilité et se déforme.
La thèse du traitement laser « sans déformation » doit être comprise ainsi : les déformations peuvent être bien plus faibles qu'avec les méthodes thermiques traditionnelles (peut-être de plusieurs ordres de grandeur), mais elles existent. Le rôle du technologue est d'en comprendre les causes et de les minimiser — le faisceau laser le permet.
En découpe laser, l'apport de chaleur est maximal en surface et plus faible dans les couches inférieures. Le métal se dilate en chauffant mais, la température étant plus élevée en surface, les fibres supérieures s'allongent davantage ; du fait du moindre allongement des fibres inférieures, des contraintes internes se développent. Lorsque la contrainte interne atteint une valeur critique (allongement supérieur plusieurs fois supérieur à l'inférieur), la pièce se bombe vers le haut ; en raison des changements structurels irréversibles, ces déformations sont plastiques (irréversibles).
Méthodes pour lutter contre les déformations thermiques en découpe laser
- État de contrainte de la tôle avant découpe. Pour une tôle non traitée thermiquement, appliquer un recuit ou un revenu afin de relâcher les contraintes internes.
- Dimensions des pièces (taille et épaisseur). Plus l'épaisseur est grande et plus le rapport taille/épaisseur est faible, plus la déformation est faible — chauffe plus uniforme.
- Fixation de la tôle. Bridage par serre-joints ou autres dispositifs. On recommande la coupe continue avec section des ponts (micro-joints) après refroidissement complet de la tôle.
- Chutes après découpe. La déformation minimale est obtenue quand la surface de la pièce est comparable à celle du flan — la chute se déforme alors plus que la pièce. En découpe de précision, la chute doit avoir plus de liberté de mouvement que la pièce.
- Vitesse de coupe. Une vitesse plus élevée réduit la chaleur absorbée par unité de longueur, donc la déformation.
- Position de la tôle pendant la découpe. La tôle ne doit pas s'affaisser sous l'effet de la chaleur locale. On préfère les tables à grand nombre de lamelles.
- Chauffe uniforme : pour une coupe rectiligne, couper du milieu vers les bords. Trier correctement les pièces au nesting ; pour les pièces complexes, découper par sections, idéalement opposées ; utiliser la méthode de pas inversés (back-step), etc.
- Refroidissement supplémentaire par soufflage d'air.
- Découpe en régime pulsé.
- Perçage (piercing) avec la fonction de pré-perçage activée.
- En cas de gauchissement visible (« ventre » de la tôle) : placer le défaut vers le haut ; espacement correct entre pièces (≥10 mm) ; utiliser des micro-joints ; on peut retourner la tôle si l'on coupe avec des coupes communes et des micro-joints bien placés.
Ne pas oublier : avant découpe, la tôle doit être dérouillée et dégraissée. Si elle arrive huilée — l'essuyer.