Cut Edge Surface Roughness
مقدمة
يقوم شعاع الليزر بإزالة المادة عن طريق التسخين الموضعي للسطح. تُمتص الطاقة الضوئية من قِبَل قطعة العمل عندما يصطدم الشعاع بالسطح؛ ويتحوّل الجزء الأكبر من هذه الطاقة إلى حرارة تنتشر موضعيًا، فترفع حرارة المادة الواقعة تحت الشعاع إلى قيم عالية جدًا. وفي المعادن تنصهر القطعة بفعل الطاقة الممتصة. تُطرد المادة المنصهرة بواسطة الغاز المساعد، فيتشكّل شقّ قطع (kerf) بعمق محدّد، وتُزال بقايا الانصهار من سطح القطع. ومن الضروري أن يجري هذا العمل بصورة مستقرة.
يمكن تقسيم التحضير للقطع بالليزر إلى ثلاث فئات:
- الفئة الأولى — دراسة الخصائص المتأصّلة في المادة، ومعالجة العيوب الناتجة عن صفائح رديئة، وتحضير المعدن، وتنظيف سطح الصفيحة.
- الفئة الثانية — اختيار معاملات القطع المناسبة، واستغلال قدرات آلة الليزر.
- الفئة الثالثة — المراقبة المستمرّة لعملية القطع.
لتحسين جودة القطع وزيادة كفاءته، يتمّ العمل أساسًا على معاملات العملية، والتحكّم في الحالات غير الطبيعية وإزالتها.
أظهرت عدّة دراسات أن جوانب الجودة في حافة القطع بالليزر — التصاق الخبث، خشونة السطح، ونمط الأخاديد (striations) — تعتمد بقوة على ديناميكا تدفّق المنصهر.
تُمثَّل خشونة سطح القطع بالرمز Rz وهي مؤشّر رئيسي على جودة القطع.
جبهة القطع
يمكن تمييز ثلاث مناطق على امتداد السماكة بوضوح:
- المنطقة العلوية (~2 مم)، الإقليم (I). تتميّز بأخاديد رفيعة ومنتظمة، وهي السبب الرئيسي للخشونة المرتفعة نسبيًا. تمتلك هذه الأخاديد أصغر عمق، وتتشكّل بفعل تآكل دوري من الحافة العلوية.
- المنطقة الوسطى (~4 مم)، الإقليم (II). انتقال من المظهر المتموّج النمطي إلى المنطقة الأكثر نعومة في الأسفل؛ وعادةً ما تبلغ الخشونة هنا قِيَمها القصوى. وتظهر الأخاديد منحنية ومنحازة قليلًا إلى الخلف، وتكون أعمق لأن المنصهر يتعرّض في آنٍ واحد لتأثير الشعاع والغاز المساعد.
- المنطقة السفلية (~9 مم)، الإقليم (III). تستقرّ العملية وتُصبح حافة القطع أكثر نعومة. وتُظهر الأخاديد أعلى تأخّر (ميل) في الاتجاه المعاكس لاتجاه القطع، وتتشكّل أساسًا بفعل تأثير المعدن المنصهر المتدفّق والغاز المساعد على سطح الحافة.
نظرًا لوجود ثلاثة خطوط قياس متكافئة للخشونة في المنطقة السفلية، فإن قيمها تُحتسب كمتوسّط للمقارنة مع نتائج التشذيب.
تعتمد خشونة سطح القطع على عمق الأخاديد وتردّد تكرارها وميلها، وتتغيّر على امتداد سماكة الصفيحة. ومع زيادة سرعة القطع وكثافة القدرة، يتناقص عمق الأخاديد على كامل سطح القطع — شريطة أن يكون ضغط الغاز مناسبًا. ويعتمد عمق المنطقة المتأثّرة حراريًا على المعاملات نفسها التي يتوقّف عليها عرض القطع (kerf): قطر الشعاع المركّز في المقام الأول، وسرعة القطع التي يجب أن تتوافق مع تدفّق الغاز المساعد (قاعدة "السرعة بحسب الشرر").
سرعة القطع "بحسب الشرر"
- سرعة قطع ملائمة. ينتشر الشرر إلى الأسفل، فيُحصَل على سطح قطع ناعم خالٍ من البقايا في الأسفل.
- سرعة قطع زائدة. ينحرف الشرر جانبًا.
- سرعة قطع غير كافية. لا ينتشر الشرر، يكون قليلًا ومتجمّعًا أو يميل بعيدًا عن حركة رأس القطع.
معاملات تقييم الخشونة
ثمّة عدّة طرق:
- Ra — الانحراف الحسابي المتوسّط للمنحنى (الخشونة المتوسّطة)؛
- Rz — الارتفاع المتوسّط للنتوءات؛
- Ry — الارتفاع الأقصى للمنحنى.
وتُستخدم الأوّليان في أغلب الأحيان. ولحافة القطع بالليزر يُعدّ Ra مؤشّرًا عمليًا.
ولأن خشونة القطع بالليزر تُوزَّع طبقيًا على امتداد السماكة (فكلّما اقتربنا من السطح السفلي زادت الخشونة وساءت)، يُجرى القياس عادةً عند ثلث ارتفاع الحافة من الأسفل.
المنطقة العلوية — الإقليم (I)
أسباب العيب:
- اختيار خاطئ للفوّهة (nozzle) — قطرها كبير جدًا؛
- ضبط خاطئ لضغط الغاز — احتراق الأخاديد بسبب ضغط مرتفع جدًا؛
- سرعة قطع خاطئة — احتراق بسبب سرعة منخفضة جدًا أو مرتفعة جدًا.
الحلول:
- استبدال الفوّهة بفوّهة أصغر قطرًا؛
- تخفيض ضغط الغاز لتحسين جودة منطقة القطع؛
- ضبط سرعة القطع بحيث تتوافق القدرة مع السرعة.
الإقليمان (II) و(III)
المعاملات الأساسية: قدرة الليزر W، سرعة القطع V، ضغط الغاز التقني P، وسماكة المادة المقطوعة t.
في الاستخدام العملي للقطع بالليزر، يجب فهم كيفية اعتماد معاملات القطع — قبل كلّ شيء قدرة الليزر وسرعة القطع — على سماكة الصفيحة.
في المرحلة الأولى، يُحدَّد لقدرة معيّنة الموضع الأمثل لبقعة البؤرة بالنسبة لسطح المعدن. لهذا المعامل تأثير كبير في عرض قناة القطع وهندستها. أما المرحلة التالية فهي تحديد سرعة القطع المثلى V.
كما يؤثّر تردّد النبضات في خشونة السطح المعالَج، فقد تنخفض الخشونة أو ترتفع بحسب تركيبة المعاملات. ذلك أن منطقة الانصهار تصبح أضيق وأكثر قابلية للتحكّم عند ترددات أعلى. غير أنه عند سوء اختيار المعاملات قد يُشاهَد أثر "السخونة الزائدة" وزيادة الخشونة.
أثناء مرور جبهة الانصهار، راقب خواصها كالسماكة والسرعة. فالتذبذبات في قدرة الليزر الممتصّة وفي سرعة نفّاث الغاز عالي الضغط، إضافةً إلى المعاملات غير الملائمة، قد تُحدث اضطرابات في المنصهر، ما يُفضي بدوره إلى ظهور أنماط أخاديد متذبذبة على حافة القطع.
بعد القطع بالليزر يُظهر سطح القطع تضاريس على شكل أخاديد نصف دائرية أو تموّجات تُسمّى الأخاديد (striations). وتنشأ بسبب خصائص بؤرة شعاع الليزر، وتأثير سرعة القطع في تشكّل القطع، وطريقة طرد المعدن السائل من تجويف القطع.
أسباب العيب:
- قد تكون الفوّهة المستخدَمة صغيرة جدًا، أو البؤرة غير متطابقة؛
- ضغط الغاز منخفض جدًا أو مرتفع جدًا؛
- سرعة قطع مرتفعة جدًا؛
- جودة الصفيحة المعدنية متدنّية، أو سطحها رديء؛ والفوّهات الصغيرة تطرد الخبث بصعوبة.
الحلول:
- استبدال الفوّهة بأخرى أكبر قطرًا؛
- ضبط البؤرة والمسافة بين الفوّهة والمعدن إلى الموضع المناسب؛
- زيادة ضغط الغاز أو خفضه حتى يصبح التدفّق ملائمًا؛
- اختيار معدن جيد.
ملاحظات إضافية
- ظهور الدوّامات والأخاديد على وجه قطع المعدن السميك مرتبط بالخصائص الفيزيائية لعملية القطع بالليزر. وفي الغالب تنجم النتوءات عن انفصال نفّاث الغاز وتأثيره في المعدن خارج منطقة فعل شعاع الليزر. ويُتلافى ظهورها بتعديل ضغط خروج الغاز من الفوّهة.