🌫 Шероховатость поверхности реза

Введение

Стоит напомнить, что лазерный луч предназначен для удаления материала методом локального нагрева поверхности. Оптическая энергия поглощается заготовкой, когда луч попадает на поверхность. Большая часть этой поглощённой энергии преобразуется в локально рассеянную тепловую энергию, нагревая материал под лучом до очень высоких температур. В металлах заготовка переходит в расплавленное состояние от поглощённой энергии. Расплавленный материал удаляется с помощью вспомогательного газа, при этом формируется пропил до определённой глубины, а расплавленные остатки металла удаляются с поверхности. Нам важно, чтобы этот процесс происходил стабильно.

Разделим процесс подготовки к лазерной резке на три категории:

1. Первая категория — изучение присущих материалу особенностей, борьба с дефектами из-за некачественного проката, подготовка металла и очистка поверхности листа.
2. Вторая категория — подбор соответствующих параметров резки и использование возможностей лазерного оборудования.
3. Третья категория — непрерывный контроль процесса лазерной обработки.

Чтобы улучшить качество резки и повысить её эффективность, в основном мы работаем над параметрами процесса обработки, контролируем и устраняем внештатные ситуации.

Несколько исследований в литературе по лазерной резке продемонстрировали, что качественные аспекты кромки лазерного реза — присоединение окалины, шероховатость поверхности и рисунок полос (борозд) — сильно зависят от динамики течения расплава.

Шероховатость поверхности резания, обозначаемая как Rz, является важным показателем качества резки.

Фронт резки

В направлении толщины кромки можно чётко различить три области:

• Верхняя область (~2 мм), зона (I). Характеризуется тонкими и регулярными бороздками, которые являются основной причиной относительно высокой шероховатости. Бороздки имеют наименьшую глубину и формируются в результате периодического разрушения от верхней кромки в глубь металла.
• Средняя область (~4 мм), зона (II). Переход от типичного волнистого профиля к гладкой зоне ниже; обычно именно здесь шероховатость достигает максимальных значений. Можно наблюдать кривизну бороздок — они становятся слегка наклонёнными назад. Бороздки в этой зоне глубже и образуются под одновременным воздействием лазерного излучения и вспомогательного газа.
• Нижняя область (~9 мм), зона (III). Процесс стабилизируется, кромка реза становится более гладкой. Здесь наблюдается наибольший наклон (отставание) бороздок в сторону, противоположную направлению резки. Образование бороздок связано в основном с воздействием на поверхность кромки стекающего расплавленного металла и вспомогательного газа.

Поскольку в нижней области присутствуют три одинаковые линии измерения шероховатости, их значения усредняются для сравнения с результатами обрезки.

Величина шероховатости поверхности реза характеризуется глубиной, частотой повторения и наклоном бороздок и изменяется по толщине листа. С увеличением скорости резки и плотности мощности глубина бороздок уменьшается по всей поверхности реза — при условии подходящего давления газа. Глубина зоны термического влияния зависит от тех же параметров, что и ширина реза (kerf): в первую очередь от диаметра сфокусированного луча и от скорости резки, которая должна быть согласована с подачей рабочего газа (см. правило «скорость по искрам»).

Скорость резки «по искрам»

1. Соответствующая скорость резки. Искры рассеиваются вниз; получается гладкая поверхность реза без остатков на дне.
2. Чрезмерная скорость резки. Режущие искры отклоняются.
3. Недостаточная скорость резки. Искры не рассеиваются, их немного, они сгруппированы или отклоняются от движения лазерной головы.

Параметры оценки шероховатости

Существует множество методов оценки шероховатости поверхности:

• Ra — среднее арифметическое отклонение профиля (средняя шероховатость);
• Rz — средняя высота неровностей;
• Ry — максимальная высота профиля.

Первые два используются чаще всего. Для оценки кромки лазерного реза удобна средняя шероховатость Ra.

Поскольку значение шероховатости лазерного реза распределено по толщине послойно (чем ближе к нижней поверхности, тем шероховатее, тем хуже), измерение обычно выполняют на 1/3 высоты кромки снизу.

Верхняя область — зона (I)

Причины дефекта:

• неправильный выбор сопла — слишком большой диаметр;
• неправильная настройка давления газа — пережигание полос из-за слишком высокого давления;
• неправильная скорость резки — пережигание из-за слишком низкой или слишком высокой скорости.

Решения:

• сменить сопло, выбрав меньший диаметр;
• снизить давление газа для улучшения качества срезаемого участка;
• отрегулировать скорость резки так, чтобы мощность соответствовала скорости.

Зоны (II) и (III)

Основные параметры: мощность излучения W, скорость резки V, давление технологического газа P, а также толщина разрезаемого материала t.

При практическом использовании лазерной резки необходимо понимать, как зависят параметры резки — прежде всего мощность лазерного излучения и скорость резки — от толщины разрезаемого листа.

На начальном этапе для определённой мощности излучения находят оптимальное положение фокусного пятна относительно поверхности металла. Этот параметр имеет большое влияние на ширину и геометрию канала реза. Следующий этап — определение оптимальной скорости резки V.

Частота импульсов также влияет на шероховатость обрабатываемой поверхности: шероховатость может как снижаться, так и возрастать в зависимости от сочетания параметров резки. Это связано с тем, что при более высокой частоте импульсов зона расплава становится более узкой и контролируемой. Однако при неправильно подобранных параметрах может наблюдаться эффект «перегрева» и рост шероховатости.

При прохождении фронта расплава следите за его параметрами — толщиной и скоростью. Колебания поглощённой мощности лазера и скорости высокоскоростной газовой струи, а также неправильно подобранные параметры могут создавать возмущения в расплаве, которые приводят к появлению флуктуирующих рисунков полос на кромке реза.

После лазерной резки поверхность реза представляет собой неровности в виде полукруглых канавок или рифлений — так называемых борозд (striations). Эти борозды возникают из-за особенностей фокусировки лазерного луча, влияния скорости резки на процесс формирования реза и характера удаления жидкого металла из полости реза.

Причины дефекта:

• сопло слишком маленькое; фокус резки не совпадает;
• давление газа слишком низкое или слишком высокое;
• слишком высокая скорость резки;
• низкое качество листового материала, плохое качество поверхности проката; маленькие сопла с трудом удаляют шлак.

Решения:

• заменить сопло на большего диаметра;
• отрегулировать фокус и расстояние сопло – металл в соответствующее положение;
• увеличить или уменьшить давление газа, пока поток не станет подходящим;
• выбирать качественный металл.

Дополнительно

• Появление вихрей и борозд на срезе толстого металла связано с физическими особенностями процесса лазерной резки. Обычно неровности вызваны отрывом газового потока и его воздействием на металл вне зоны действия лазерного луча. Избежать неровностей помогает корректировка выходного давления газа из сопла.

---