2.3.2.3. CARACTERSTICAS DE LA SUPERFICIE DE CORTE

Las caractersticas de superficie de corte son importantes porque la calidad de la operaciones siguientes (tales como la soldadura) est fuertemente afectada por las caractersticas de superficie de corte, que se describen como estriacin, escoria como se muestra en la Fig. 2.18, y la zona afectada por el calor.

Fig. 2.18 Una tpica superficie de corte pobre que muestra estras en las zonas 1 y 2, y escorias producidas en el corte de acero suave por el proceso de corte por lser reactivo.

ESTRALas estras son regularmente lneas peridicas producidas en la superficie de corte (como se muestra en la Fig. 2.18) tanto durante la fusin por lser de corte como en los procesos de corte por lser reactivos. El ngulo de las estras con respecto al eje del haz de lser aumenta con el aumento de la velocidad de corte.Dos patrones diferentes de estras se observan en la superficie de corte cuando el espesor de la pieza es de ms de 2mm. Uno de ellos es cerca de la superficie superior adyacente a la cabeza de corte con un patrn relativamente fino (longitud de onda corta) y otro est en la parte inferior del borde de corte con un patrn relativamente gruesa (longitud de onda mucho ms larga). Los dos patrones se separan por una lnea recta que se extiende en paralelo a la superficie de la pieza de trabajo. La lnea de separacin se desplaza hacia la superficie superior de la chapa metlica con el aumento de la velocidad de corteLa subsuperficie en la estriacin en la zona 1 no muestra microestructuras resolidificadadas, pero la estriacin en la zona 2 muestra las microestructuras resolidificadas en su subsuperficie, lo que indica que la estriacin en la zona 2 se forma como resultado de la turbulenta resolidificacin de la masa de pelicula fundida pelcula sobre la superficie de corte antes de que se expulse de la ranura de corte.Las estras profundas afectan la calidad de la superficie de corte (rugosidad superficial alta, exactitud geometra, etc.). La estriacin se caracteriza por su profundidad (rugosidad superficial) y longitud de onda. Se ha encontrado que la profundidad estriacin (rugosidad de la superficie) aumenta con el aumento de espesor de la pieza y presin del chorro de oxgeno debido a la oxidacin excesiva, y disminuye con el aumento de la velocidad de corte en el corte por lser reactiva y el corte de la fusin por lser. Existe una velocidad de corte ptima para la rugosidad mnima de la superficie (sin estriaciones) para corte por lser de la pieza de trabajo reactiva fina como se muestra en la Fig. 2.19.

Fig. 2.19 Variacin de la rugosidad de la superficie a 0,25 mm de las superficies superior e inferior con la velocidad de corte durante el corte lser de fibra de acero suave con chorro de oxgeno. Las fotografas fueron tomadas desde las regiones inferiores a velocidades de corte de 2,0, 5,5 y 7,0 m / min, respectivamente.

Schucker inform de que la longitud de onda estras aumenta gradualmente con el aumento de la velocidad de corte al lser de potencia constante al cortar acero suave con chorro de oxgeno. Kaplan lleg a la conclusin de que la longitud de onda de estras peridicas en la zona 1 es independiente de la velocidad de corte, pero est fuertemente relacionada con el radio del haz en la superficie de la pieza en corte por lser reactivo de acero suave y reduce con el aumento de la presin del gas en fusin por lser de corte. Se encontr que la longitud de onda de las estras disminuye gradualmente con el aumento de la velocidad de corte durante la fusin por lser de corte.La formacin de estras es el resultado de un cambio dinmico en el espesor frontal corte y la temperatura que puede ser variable por la inestabilidad trmica dinmica (calentamiento cclico) o inestabilidad hidrodinmica (eliminacin de fusin dinmica). Existen varios mecanismos para la formacin de estras, de los cuales veremos la Inestabilidad dinmica trmica y la Inestabilidad hidrodinmica:

a. Inestabilidad Dinmica Trmica

La entrada de energa flucta en corte por lser. Puede producirse a partir de (1) las fluctuaciones temporales de la potencia del lser (ya sea debido a la absorcin peridica, la distorsin peridica de la potencia del lser, y el acoplamiento de la radiacin de lser reflejado con resonador lser); (2) la quema cclica de corte por lser reactivo debido a la dinmica de oxidacin a baja velocidad. Las fluctuaciones temporales de la potencia del lser pueden minimizarse mediante la estabilizacin de la potencia de salida del lser.

Quema cclica en corte por lser reactiva

Un ciclo de quema formado por ignicin-quema-extincin (como se muestra en la Fig. 2.20a) se produjo en corte por lser reactivo cuando la velocidad de corte es inferior a la velocidad del frente de la oxidacin, una velocidad crtica tpica es 2 m/min (o 33 mm / s) para el acero suave. El frente a la oxidacin se mueve a la velocidad VM ms rpida que la velocidad del rayo lser de V durante el proceso de quema (proceso II), pero ms lento durante el proceso de extincin (proceso III).

La oxidacin cuando la velocidad de corte es inferior a la velocidad del frente de reaccin es un proceso dinmico. Cuando el frente de oxidacin se mueve muy por delante de punto de lser (en proceso de extincin III) debido a la liberacin de calor exotrmico durante el proceso de quema II, aumenta el espesor instantneo de FeO y disminuye el gradiente de oxgeno como se muestra en la Fig. 2.20b. La reduccin en el gradiente de oxgeno con un crecimiento del volumen de lquido (espesor) durante el proceso de quema contribuye a la extincin. La reignicin se produce despus de que la capa fundida se retira de la zona de corte y el rayo lser reubica la zona de corte.

Fig. 2.20 Ilustracin esquemtica de (a) vista superior, (b) vista lateral y el gradiente de oxgeno a travs de la pelcula de masa fundida durante un ciclo de (I) de encendido, (II) quema, (III) la extincin, y (IV) reencendido durante la formacin de estras por lado ardor.

b. Inestabilidad Hidrodinmica

El flujo ideal de la masa fundida de ranura de corte es de flujo laminar con grosor y temperatura uniforme. Sin embargo, la oscilacin capa de masa fundida que conduce a la formacin de estras a alta velocidad de corte con gas inerte podra ocurrir debido a:

Fluctuaciones en el flujo de gas. Transicin de flujo de gas de laminar a turbulento debido al aumento en el ngulo de inclinacin del frente de corte, lo que podra resultar en inestabilidad de intensidad de la energa de reaccin y la inestabilidad de eliminacin de metal. Aumentar en grosor de la capa fundida, lo que puede conducir a la distorsin espacial en el borde de corte debido a la oscilacin de lquido y flujo turbulento cerca de la superficie inferior. El inicio de la formacin de ondulacin en el borde de corte es causado por el movimiento dependiente del tiempo de la anchura de la parte frontal de corte como respuesta a las fluctuaciones de los parmetros de procesamiento. Transicin del flujo de masa fundida unidimensional al flujo de masa fundida de dos dimensiones debido a la evaporacin, lo que provoca la oscilacin capa lquida. El flujo de masa fundida es hidrodinmicamente inestable si el flujo es impulsado predominantemente por gradiente de presin del flujo de gas. Formacin cclica, el crecimiento de la gota de lquido, que se separa (desprende) de la capa de masa fundida cuando el peso de la gota de conformacin y la presin inanicin del flujo de masa fundida supera la tensin superficial o se alcanza el radio crtico de la gota. Se alcanza el tamao de gota crtico cuando el equilibrio entre las fuerzas capilares y las fuerzas ejercidas sobre la masa fundida por la corriente de gas en la proximidad del borde superior de la parte frontal de corte se consigue. El crecimiento peridico de las jorobas, que comienzan a fluir cuando la fuerza de gas excede la fuerza de tensin superficial.

Debido a que la calidad de la superficie de corte es importante en algunas aplicaciones, se han desarrollado las siguientes estrategias para reducir o eliminar la formacin de estras: Corte de alta presin, donde la presin alta de gas expulsa de manera eficiente la pelcula de masa fundida, lo que resulta en una pelcula delgada. De este modo, las amplitudes de las oscilaciones de la pelcula de masa fundida se limitan. Corte de baja presin, la aplicacin de chorros de gas subsnicos, donde el espesor de la pelcula de masa fundida es relativamente grande, pero el flujo de gas lisa reduce las oscilaciones pelcula fundida. El flujo de fusin predominantemente impulsada por fuerza de corte es estable y se puede lograr a cualquier velocidad del gas disminuyendo o aumentando la velocidad de corte. Esto se demuestra slo para la formacin de estras en la velocidad de corte. Corte a una velocidad mayor que la velocidad de movimiento del frente de combustin.

ESCORIACuando el momento de la capa fundida transferida desde el gas a presin es mayor que la fuerza de tensin superficial, el corte limpio se hace mediante la eliminacin del metal fundido desde la parte inferior de la ranura de corte. La formacin de escoria en el borde de corte inferior es el resultado de la alta tensin superficial y viscosidad de la pelcula fundida. Por lo tanto, la masa fundida no puede ser expulsada completamente de la parte inferior de la ranura de corte.

Fig. 2.21 Diagrama de Velocidad mx. de corte vs Presin del gas donde se puede observar las distintas zonas de calidad de corte de un acero suave de espesor de 3mm cortado por lser reactivo.Similar a la formacin de estras con respecto a la velocidad de corte en el corte por lser reactivo, hay una velocidad de corte ptima para lograr la reduccin mnima escoria como se muestra en la Fig. 2.21. La mayor cantidad de escoria producida en la velocidad de corte por debajo o por encima de esta velocidad de corte ptima es debido a la gran cantidad solidificada de flujo hacia atrs de la masa fundida y fuerte perturbacin del flujo de fusin, respectivamente.Con el fin de deformar, romper o separar la gotita de fusin del borde inferior formado por la accin de corte del gas para lograr un corte sin escoria, el nmero Weber (We) de la masa fundida en la parte inferior de la parte frontal de corte debe exceder un valor crtico.La formacin de escoria al cortar una pieza gruesa cuando el haz lser se enfoca en la superficie superior se debe a la energa insuficiente. Esto conduce a la dificultad en la separacin de la masa fundida desde los bordes de corte ms bajas.El adhesin de escoria en el borde de corte menor puede reducirse mediante el aumento de la profundidad de la separacin del flujo.Durante el corte por lser reactivo del espesor de la pieza de trabajo, el chorro de oxgeno se mantiene a baja con el fin de controlar el rgimen de la quema de metal. El aire ambiente es arrastrado en el flujo de oxgeno, lo que aumenta la impureza de chorro de oxgeno y el retraso de las reacciones de oxidacin.El vrtice se forma cuando la presin en la boquilla perifrica es inferior a un valor crtico. El flujo de vrtice puede arrastrar y acumular la masa fundida lquida, que restringe su salida del corte incluso induce el movimiento inverso de la masa fundida y es responsable de la formacin de escoria en la parte inferior de la ranura de corte y la adhesin de escoria.

ZONA AFECTADA POR EL CALOR (Heat-Affected Zone: HAZ)El corte por rayo lser es un proceso trmico. La prdida de la conduccin de calor en los alrededores de la parte solida se debe a la elevacin de la temperatura en la subsuperficie a una profundidad desde la superficie del corte, que puede traer cambios en la composicin de la microestructura y la fase como la transformacin martenstica, cambio en el tamao de grano, y el carburo formacin en la ZAC. Estos cambios son normalmente indeseable debido a la mayor tendencia de agrietamiento, endurecimiento superficial, disminucin de la soldabilidad, resistencia a la corrosin, y la vida de fatiga.La anchura de Haz aumenta con el aumento en el espesor de la pieza de trabajo debido a la mayor prdida de conduccin de calor cuando se corta una pieza de trabajo ms gruesa.La anchura de Haz se ve afectada por el tipo de boquillas de corte utilizados. El Haz obtenido cuando se utiliza la boquilla de corte cnico coaxial es ms grande que el obtenido mediante el uso de la boquilla de corte supersnico. La reduccin del Haz mediante el uso de la boquilla Laval es ms significativa cuando se corta la pieza de trabajo ms gruesa.El espesor de la capa Haz disminuye con el aumento de la presin del gas durante la fusin de corte por lser debido a la eliminacin efectiva de la masa fundida desde la regin de interaccin lser-material mediante el esfuerzo de cizallamiento reforzado del flujo de gas y el efecto de refrigeracin reforzado.El punto de fusin de algunos productos de reaccin qumica durante el corte por lser reactivo es muy alta, por ejemplo, 2017, 2230, y 2435 C para Al2O3, AlN y Cr2O3, respectivamente. Ellos se fracturan en repetidas ocasiones debido a la naturaleza turbulenta del flujo de fusin fuera de la zona de corte y se dispersan en la masa fundida, lo que resulta en aumento de la viscosidad y la tensin superficial de la masa fundida. Por lo tanto, la velocidad de flujo de fusin se reduce, lo que provoca un Haz ms grande.La escoria adherida en el borde de corte ms bajo es la fusin que no est completamente extrada por el gas auxiliar de corte y se solidifica en el borde de corte. Esto produce HAZ significativo en la regin inferior del borde de corte como se muestra en la Fig. 2.22.

Fig. 2.22 Haz en la regin inferior de la superficie de corte debido al calor por la capa resolidificada adherida.

La cantidad de material resolidificado en la superficie de corte aumenta con el aumento de la potencia del lser y la velocidad de corte debido a la mayor tasa de fusin y una mayor presin de retroceso que expulsa ms material fundido de atrs hacia el frente de corte. La proporcin de la distancia X (la distancia desde la superficie superior de la placa hasta el comienzo de la Haz) al espesor de la pieza de trabajo aumenta con el aumento de la potencia del lser, la presin del gas, y ptima frecuencia de impulsos.