Cut Edge Surface Roughness
Introduction
Le faisceau laser enlève la matière par chauffage local de la surface. L'énergie optique est absorbée par la pièce dès que le faisceau atteint la surface ; la majeure partie de cette énergie est convertie en chaleur dissipée localement, portant le matériau sous le faisceau à de très hautes températures. Dans les métaux, la pièce passe à l'état fondu sous l'effet de l'énergie absorbée. Le matériau fondu est évacué par le gaz d'assistance, formant une saignée (kerf) de profondeur déterminée, et les résidus fondus sont expulsés de la surface de coupe. Il est essentiel que le procédé reste stable.
La préparation à la découpe laser se divise en trois catégories :
- Première catégorie — étude des caractéristiques propres du matériau, traitement des défauts dus à une tôle de mauvaise qualité, préparation du métal et nettoyage de la surface de la tôle.
- Deuxième catégorie — choix des paramètres de coupe adaptés et exploitation des possibilités de la machine laser.
- Troisième catégorie — surveillance continue du procédé de découpe.
Pour améliorer la qualité et la productivité de la découpe, on travaille principalement sur les paramètres procédé et on contrôle ou élimine les anomalies.
Plusieurs études ont montré que les aspects de qualité de l'arête de coupe laser — adhérence des scories, rugosité de surface et motif de stries — dépendent fortement de la dynamique d'écoulement du métal fondu.
La rugosité de la surface de coupe, notée Rz, est un indicateur clé de la qualité de coupe.
Front de coupe
Sur l'épaisseur, trois zones se distinguent nettement :
- Zone supérieure (~2 mm), zone (I). Stries fines et régulières, principale cause de la rugosité relativement élevée. Les stries ont la profondeur la plus faible et se forment par érosion périodique depuis l'arête supérieure.
- Zone centrale (~4 mm), zone (II). Transition du profil ondulé typique vers la zone plus lisse en bas ; la rugosité y atteint généralement ses valeurs maximales. Les stries présentent une courbure et s'inclinent légèrement vers l'arrière. Elles sont plus profondes car le bain de fusion subit l'action simultanée du faisceau et du gaz d'assistance.
- Zone inférieure (~9 mm), zone (III). Le procédé se stabilise et l'arête de coupe devient plus lisse. Les stries présentent le plus grand retard (inclinaison) en sens inverse de la coupe. Elles résultent principalement de l'action du métal fondu en écoulement et du gaz d'assistance sur la surface.
Comme la zone inférieure comporte trois lignes équivalentes de mesure de rugosité, leurs valeurs sont moyennées pour la comparaison avec les résultats de cisaillage.
La rugosité dépend de la profondeur, de la fréquence et de l'inclinaison des stries, et varie sur l'épaisseur. Lorsque la vitesse de coupe et la densité de puissance augmentent, la profondeur des stries diminue sur toute la surface de coupe — à condition que la pression de gaz soit adaptée. La profondeur de la zone affectée thermiquement dépend des mêmes paramètres que la largeur de la saignée (kerf) : avant tout du diamètre du faisceau focalisé et de la vitesse de coupe, qui doit être synchronisée avec le débit de gaz d'assistance (règle "vitesse par les étincelles").
Vitesse de coupe par les étincelles
- Vitesse appropriée. Les étincelles se dispersent vers le bas ; on obtient une surface de coupe lisse, sans résidus au fond.
- Vitesse excessive. Les étincelles de coupe sont déviées.
- Vitesse insuffisante. Les étincelles ne se dispersent pas, sont peu nombreuses, groupées, ou s'écartent du mouvement de la tête de coupe.
Paramètres d'évaluation de la rugosité
Plusieurs méthodes existent :
- Ra — écart moyen arithmétique du profil (rugosité moyenne) ;
- Rz — hauteur moyenne des irrégularités ;
- Ry — hauteur maximale du profil.
Les deux premiers sont les plus utilisés. Pour l'arête de coupe laser, Ra est un indicateur pratique.
Comme la rugosité de la coupe laser se répartit en couches sur l'épaisseur (plus on se rapproche de la face inférieure, plus elle est rugueuse), la mesure se fait habituellement à 1/3 de la hauteur de l'arête depuis le bas.
Zone supérieure — zone (I)
Causes du défaut :
- choix incorrect de la buse — diamètre trop grand ;
- pression de gaz mal réglée — stries brûlées par pression excessive ;
- vitesse de coupe incorrecte — brûlure par vitesse trop basse ou trop élevée.
Solutions :
- passer à une buse de plus petit diamètre ;
- réduire la pression de gaz pour améliorer la qualité de la zone coupée ;
- ajuster la vitesse de coupe pour que la puissance corresponde à la vitesse.
Zones (II) et (III)
Les paramètres principaux sont la puissance laser W, la vitesse de coupe V, la pression du gaz de procédé P et l'épaisseur du matériau t.
En pratique, il faut comprendre comment les paramètres de coupe — surtout la puissance laser et la vitesse de coupe — dépendent de l'épaisseur de la tôle.
La première étape consiste à trouver, pour la puissance choisie, la position optimale du point focal par rapport à la surface du métal. Ce paramètre influe fortement sur la largeur et la géométrie de la saignée. L'étape suivante est la détermination de la vitesse de coupe optimale V.
La fréquence d'impulsion influence aussi la rugosité : elle peut la réduire ou l'augmenter selon la combinaison de paramètres. À fréquence plus élevée, la zone de fusion devient plus étroite et plus contrôlable. Toutefois, avec des paramètres mal choisis, des effets de "surchauffe" et une rugosité accrue peuvent apparaître.
Au passage du front de fusion, surveillez son épaisseur et sa vitesse. Les fluctuations de la puissance laser absorbée et de la vitesse du jet de gaz haute pression, conjuguées à de mauvais paramètres, peuvent perturber le bain de fusion et produire des motifs de stries fluctuants sur l'arête.
Après la découpe laser, la surface présente des sillons semi-circulaires ou des ondulations, appelés stries (striations). Ils résultent de la focalisation du faisceau, de l'influence de la vitesse de coupe sur la formation de la saignée et de la manière dont le métal liquide est évacué de la cavité.
Causes du défaut :
- buse trop petite ; foyer de coupe désaligné ;
- pression de gaz trop basse ou trop haute ;
- vitesse de coupe trop élevée ;
- tôle de mauvaise qualité ; les petites buses évacuent mal les scories.
Solutions :
- remplacer la buse par une de plus grand diamètre ;
- ajuster le foyer et la distance buse–tôle à la position appropriée ;
- augmenter ou réduire la pression de gaz jusqu'à un débit adapté ;
- utiliser un métal de qualité.
Remarques complémentaires
- Tourbillons et sillons sur la face de coupe des métaux épais sont liés à la physique du procédé. Ces irrégularités proviennent généralement du décrochement du jet de gaz agissant sur le métal hors de la zone d'influence du faisceau. On les évite en ajustant la pression de sortie du gaz à la buse.