Cut Edge Surface Roughness
Introducción
El haz láser elimina material calentando localmente la superficie. La energía óptica es absorbida por la pieza cuando el haz incide en la superficie; la mayor parte de esa energía se convierte en calor disipado localmente, llevando el material bajo el haz a temperaturas muy altas. En los metales la pieza pasa a estado fundido por la energía absorbida. El material fundido es expulsado por el gas de asistencia, formando un corte (kerf) de profundidad determinada, y los restos fundidos se eliminan de la superficie. Es esencial que el proceso sea estable.
La preparación del corte láser se divide en tres categorías:
- Primera categoría — estudio de las características propias del material, lucha contra defectos por chapa de baja calidad, preparación del metal y limpieza de la superficie.
- Segunda categoría — selección de los parámetros de corte adecuados y uso de las capacidades de la máquina láser.
- Tercera categoría — control continuo del proceso de corte.
Para mejorar la calidad y la productividad del corte trabajamos principalmente sobre los parámetros de proceso, controlando o eliminando situaciones anómalas.
Varios estudios han demostrado que los aspectos de calidad de la arista de corte láser — adherencia de escoria, rugosidad superficial y patrón de estrías — dependen fuertemente de la dinámica del flujo del fundido.
La rugosidad de la superficie de corte, denotada como Rz, es un indicador clave de la calidad del corte.
Frente de corte
A lo largo del espesor se distinguen tres regiones:
- Región superior (~2 mm), zona (I). Estrías finas y regulares, principal causa de la rugosidad relativamente alta. Las estrías son menos profundas y se forman por erosión periódica desde la arista superior.
- Región central (~4 mm), zona (II). Transición desde el perfil ondulado típico hacia la zona más lisa inferior; normalmente la rugosidad alcanza aquí sus valores máximos. Las estrías presentan curvatura y se inclinan ligeramente hacia atrás. Son más profundas porque el fundido recibe la acción simultánea del láser y del gas de asistencia.
- Región inferior (~9 mm), zona (III). El proceso se estabiliza y la arista se vuelve más lisa. Las estrías muestran el mayor atraso (inclinación) en sentido contrario al avance de corte y se forman sobre todo por la acción del metal fundido en escurrimiento y del gas de asistencia sobre la superficie.
Como en la región inferior hay tres líneas equivalentes de medición de rugosidad, sus valores se promedian para comparar con resultados de cizallado.
La rugosidad depende de la profundidad, la frecuencia y la inclinación de las estrías y varía con el espesor. Al aumentar la velocidad de corte y la densidad de potencia, la profundidad de las estrías disminuye en toda la superficie — siempre que la presión de gas sea adecuada. La profundidad de la zona afectada térmicamente depende de los mismos parámetros que el ancho del corte (kerf): en primer lugar del diámetro del haz focalizado y de la velocidad de corte, que debe coincidir con el caudal del gas de asistencia (regla de las chispas).
Velocidad de corte por las chispas
- Velocidad correcta. Las chispas se dispersan hacia abajo; se obtiene una superficie de corte lisa, sin residuos en el fondo.
- Velocidad excesiva. Las chispas se desvían.
- Velocidad insuficiente. Las chispas no se dispersan, son pocas, agrupadas o se desvían del movimiento del cabezal de corte.
Parámetros de evaluación de la rugosidad
Existen varios métodos:
- Ra — desviación media aritmética del perfil (rugosidad media);
- Rz — altura media de las irregularidades;
- Ry — altura máxima del perfil.
Los dos primeros son los más usados. Para la arista de corte láser Ra es una métrica práctica.
Dado que la rugosidad del corte láser se distribuye por capas a lo largo del espesor (cuanto más cerca de la cara inferior, más áspero), la medición se hace habitualmente a 1/3 de la altura de la arista desde abajo.
Región superior — zona (I)
Causas del defecto:
- elección incorrecta de la boquilla — diámetro demasiado grande;
- presión de gas mal ajustada — estrías quemadas por presión excesiva;
- velocidad de corte incorrecta — quemaduras por velocidad demasiado baja o demasiado alta.
Soluciones:
- cambiar a una boquilla de menor diámetro;
- reducir la presión de gas para mejorar la calidad de la zona cortada;
- ajustar la velocidad de corte para que la potencia case con la velocidad.
Zonas (II) y (III)
Los parámetros principales son la potencia láser W, la velocidad de corte V, la presión del gas de proceso P y el espesor del material t.
En la práctica conviene entender cómo dependen los parámetros de corte — sobre todo potencia y velocidad — del espesor de la chapa.
La primera etapa es localizar la posición óptima del punto focal respecto a la superficie del metal para la potencia elegida. Este parámetro influye mucho en el ancho y la geometría del canal de corte. La etapa siguiente es encontrar la velocidad de corte óptima V.
La frecuencia de pulso también afecta a la rugosidad: puede disminuir o aumentar según la combinación de parámetros. A frecuencias más altas la zona fundida se estrecha y se controla mejor. Sin embargo, con parámetros mal elegidos puede aparecer "sobrecalentamiento" y aumentar la rugosidad.
Al avanzar el frente de fusión, vigile su espesor y velocidad. Variaciones de la potencia absorbida y de la velocidad del chorro de gas a alta presión, junto con parámetros mal elegidos, pueden perturbar el fundido y generar patrones fluctuantes de estrías en la arista.
Tras el corte láser, la superficie muestra surcos semicirculares u ondulaciones, conocidas como estrías (striations). Aparecen por la focalización del haz, la influencia de la velocidad sobre la formación del kerf y el modo de evacuación del metal líquido de la cavidad.
Causas del defecto:
- boquilla demasiado pequeña; foco de corte desalineado;
- presión de gas demasiado baja o demasiado alta;
- velocidad de corte demasiado alta;
- chapa de baja calidad; las boquillas pequeñas evacúan mal la escoria.
Soluciones:
- cambiar a una boquilla de mayor diámetro;
- ajustar el foco y la distancia boquilla–chapa a la posición correcta;
- aumentar o reducir la presión de gas hasta que el flujo sea adecuado;
- usar metal de calidad.
Notas adicionales
- Remolinos y surcos en la arista de corte de metal grueso tienen origen físico en el proceso. Suelen estar causados por la separación del chorro de gas que actúa sobre el metal fuera de la zona del haz. Se evitan ajustando la presión de salida del gas en la boquilla.