Cut Edge Surface Roughness

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Introdução

O feixe de laser remove material por aquecimento local da superfície. A energia óptica é absorvida pela peça quando o feixe atinge a superfície; a maior parte dessa energia se converte em calor dissipado localmente, aquecendo o material sob o feixe até temperaturas muito altas. Nos metais, a peça passa ao estado fundido pela energia absorvida. O material fundido é expulso pelo gás de assistência, formando um corte (kerf) de profundidade definida, e os resíduos fundidos são removidos da superfície de corte. É essencial que o processo seja estável.

A preparação para o corte a laser pode ser dividida em três categorias:

Primeira categoria — estudo das características intrínsecas do material, combate a defeitos causados por chapa de baixa qualidade, preparação do metal e limpeza da superfície da chapa.
Segunda categoria — seleção dos parâmetros de corte adequados e uso das capacidades da máquina laser.
Terceira categoria — monitoramento contínuo do processo de corte.

Para melhorar a qualidade e a eficiência do corte, atuamos principalmente sobre os parâmetros de processo e controlamos ou eliminamos situações fora do padrão.

Diversos estudos demonstraram que os aspectos de qualidade da borda de corte a laser — adesão de escória, rugosidade superficial e padrão de estrias — dependem fortemente da dinâmica do escoamento do material fundido.

A rugosidade da superfície de corte, denotada como Rz, é um indicador-chave da qualidade do corte.

Frente de corte

Ao longo da espessura podem-se distinguir três regiões:

Região superior (~2 mm), zona (I). Caracterizada por estrias finas e regulares, responsáveis pela rugosidade relativamente alta. As estrias têm a menor profundidade e se formam por erosão periódica a partir da borda superior.
Região central (~4 mm), zona (II). Transição do perfil ondulado típico para a região mais lisa abaixo; geralmente é aqui que a rugosidade atinge os valores máximos. As estrias mostram curvatura e ficam levemente inclinadas para trás. São mais profundas porque o material fundido sofre ação simultânea do laser e do gás de assistência.
Região inferior (~9 mm), zona (III). O processo se estabiliza e a borda fica mais lisa. As estrias apresentam o maior atraso (inclinação) em sentido contrário ao do corte. Formam-se principalmente pela ação do metal fundido escoante e do gás de assistência sobre a superfície.

Como na região inferior há três linhas equivalentes de medição da rugosidade, seus valores são promediados para comparação com resultados de aparagem.

A rugosidade depende da profundidade, da frequência e da inclinação das estrias e varia ao longo da espessura. Com o aumento da velocidade de corte e da densidade de potência, a profundidade das estrias diminui em toda a superfície de corte — desde que a pressão de gás seja adequada. A profundidade da zona termicamente afetada depende dos mesmos parâmetros que a largura do corte (kerf): em primeiro lugar do diâmetro do feixe focalizado e da velocidade de corte, que deve estar sincronizada com o fluxo do gás de assistência (ver regra das faíscas).

Velocidade de corte pelas faíscas

Velocidade correta. As faíscas se dispersam para baixo; obtém-se uma superfície de corte lisa, sem resíduos no fundo.
Velocidade excessiva. As faíscas de corte se desviam.
Velocidade insuficiente. As faíscas não se dispersam, são poucas, agrupadas ou desviam-se do movimento do cabeçote de corte.

Parâmetros de avaliação da rugosidade

Há vários métodos para avaliar a rugosidade:

Ra — desvio médio aritmético do perfil (rugosidade média);
Rz — altura média das irregularidades;
Ry — altura máxima do perfil.

Os dois primeiros são os mais usados. Para a borda de corte a laser, Ra é uma métrica prática.

Como a rugosidade do corte a laser se distribui em camadas pela espessura (quanto mais próximo da face inferior, mais áspera), a medição costuma ser feita a 1/3 da altura da borda a partir de baixo.

Região superior — zona (I)

Causas do defeito:

escolha errada do bico de corte — diâmetro grande demais;
pressão de gás incorreta — estrias queimadas por pressão excessiva;
velocidade de corte incorreta — queimaduras por velocidade muito baixa ou muito alta.

Soluções:

trocar para um bico de diâmetro menor;
reduzir a pressão de gás para melhorar a qualidade do trecho cortado;
ajustar a velocidade de corte para que a potência case com a velocidade.

Zonas (II) e (III)

Os principais parâmetros são a potência do laser W, a velocidade de corte V, a pressão do gás de processo P e a espessura do material t.

Na prática, é preciso entender como os parâmetros — sobretudo potência do laser e velocidade de corte — dependem da espessura da chapa.

A primeira etapa é encontrar a posição ótima do ponto focal em relação à superfície do metal para a potência escolhida. Esse parâmetro afeta fortemente a largura e a geometria do canal de corte. A etapa seguinte é determinar a velocidade de corte ótima V.

A frequência de pulso também influencia a rugosidade: pode reduzi-la ou aumentá-la, dependendo da combinação de parâmetros. Em frequências mais altas, a zona fundida torna-se mais estreita e controlável. Mas, com parâmetros mal escolhidos, pode aparecer "superaquecimento" e a rugosidade aumentar.

Na passagem da frente de fusão, monitore sua espessura e velocidade. Variações na potência absorvida e na velocidade do jato de gás de alta pressão, junto com parâmetros mal escolhidos, podem perturbar o material fundido e gerar padrões oscilantes de estrias na borda de corte.

Depois do corte a laser, a superfície apresenta sulcos semicirculares ou ondulações — as chamadas estrias (striations). Elas surgem pelas particularidades de focagem do feixe, pela influência da velocidade de corte na formação do kerf e pela maneira como o metal líquido é evacuado da cavidade.

Causas do defeito:

bico pequeno demais; foco de corte desalinhado;
pressão de gás baixa ou alta demais;
velocidade de corte alta demais;
chapa de baixa qualidade; bicos pequenos têm dificuldade de expulsar a escória.

Soluções:

trocar o bico por um de diâmetro maior;
ajustar o foco e o stand-off bico–chapa para a posição correta;
aumentar ou reduzir a pressão de gás até o fluxo ficar adequado;
usar metal de qualidade.

Observações adicionais

Vórtices e sulcos na face de corte de metais espessos têm origem física no processo de corte a laser. Em geral, essas irregularidades são causadas pelo desprendimento do jato de gás atuando no metal fora da zona de influência do feixe. Podem ser evitadas ajustando a pressão de saída do gás no bico.