Technologia cięcia laserowego – cz. I

W artykule opisano podstawy fizyczne i technologiczne procesu cięcia laserowego metali konstrukcyjnych oraz zalecane rodzaje laserów. Podano przykłady i zakres zastosowań przemysłowych cięcia laserowego materiałów konstrukcyjnych.

Fot. iStock

Z artykulu dowiesz się:

• jak rodzaj lasera wpływa na efektywność cięcia,
• jak parametry technologiczne procesu cięcia laserowego determinują jakość i precyzję cięcia,
• jak dobór odpowiedniego gazu towarzyszącego wpływa na wydajność, koszty i jakość.

Cięcie laserowe jest procesem termicznym, w którym energia wiązki promieniowania laserowego – ciągłego, impulsowego lub udarowego, w zależności od rodzaju materiału i techniki cięcia – tworzy szczelinę poprzez stopienie materiału, jego jednoczesne stopienie i odparowanie, a w przypadku stosowania gazu towarzyszącego, takiego jak tlen czy powietrze, także przez częściowe spalanie materiału (rys. 1-3). W procesie cięcia laserowego konieczny jest jednoczesny, współosiowy z wiązką laserową przepływ gazu, zwanego gazem towarzyszącym (gdyż „towarzyszy” procesowi cięcia). Zadaniem gazu towarzyszącego jest dokładne usunięcie (wydmuchanie) ze szczeliny cięcia ciekłego materiału lub ciekłego materiału wraz jego parami bądź też utlenionego materiału.

Gaz towarzyszący może być obojętny chemicznie – argon i hel (nadstopy, stale HSS i UHSS, gdy wymagana jest wysoka jakość ciętych powierzchni), azot (nadstopy, stale wysokostopowe i stopy aluminium) lub reaktywny względem ciętego materiału – tlen lub powietrze (stal konstrukcyjna i stopy miedzi).

Energia wiązki laserowej znajduje coraz szersze zastosowanie w produkcji przemysłowej do wycinania lub przebijania otworów. Proces ten wymaga dostarczenia energii wiązki laserowej w trybie ciągłym, impulsowym lub udarowym, rzędu 10⁶-10¹² W/mm², o znacznie większej gęstości mocy niż w procesie cięcia laserowego, w zależności od obrabianego materiału i jego grubości. Wiązka laserowa może być stosowana do cięcia i przebijania otworów w większości materiałów konstrukcyjnych: metali, cermetali, materiałów ceramicznych, tworzyw termoplastycznych, gumy, skóry, szkła, drewna, forniru, o grubości od folii do 30-50 mm, zapewniając wysoka jakość ciętych krawędzi, (rys. 3-5).

Parametry cięcia laserowego

Technolog spawalnik, dysponując odpowiednim urządzeniem laserowym do cięcia określonego materiału konstrukcyjnego o danej grubości, może kontrolować jakość i prędkość cięcia, określając tym samym optymalne parametry technologiczne procesu. Do podstawowych parametrów należą m.in.:

• moc wiązki laserowej – kW,
• rodzaj wiązki laserowej (promieniowanie ciągłe, impulsowe, udarowe) oraz długość fali promieniowania – λ µm,
• prędkość przesuwu wiązki laserowej po torze cięcia – mm/s,
• średnica i głębokość ogniska wiązki laserowej – d_s i – d_z mm,
• długość ogniskowa wiązki – f mm,
• położenie ogniska wiązki laserowej względem górnej powierzchni ciętego przedmiotu (blachy) mm,
• rodzaj i ciśnienie gazu towarzyszącego – bar lub kPa (1 bar = 100 kPa),
• średnica dyszy gazu towarzyszącego – mm,
• odległość dyszy od górnej powierzchni ciętego przedmiotu – mm.

Warunki technologiczne procesu cięcia laserowego obejmują trzy grupy parametrów, które różnią się wpływem na jakość krawędzi ciętych przedmiotów:

• parametry urządzenia laserowego,
• grubość ciętego materiału i jego własności fizyczne,
• parametry technologiczne cięcia.

Jeżeli zakład produkcyjny, po uwzględnieniu cech technologicznych i kosztów urządzeń laserowych, wybierze konkretne urządzenie, jego podstawowe parametry – mające istotny wpływ na jakość i efektywność cięcia laserowego – pozostają stałe. Sterowanie jakością cięcia możliwe jest jedynie w kompromisie z prędkością cięcia. Stałe parametry technologiczne urządzenia laserowego to: maksymalna moc wiązki – P w kW, długość fali promieniowania laserowego – λ µm, jakość wiązki BPP, maksymalna prędkość przesuwu robota lub układu CNC – mm/s, (maksymalna prędkość cięcia – mm/s). Producenci laserów oferują szeroką gamę zrobotyzowanych stanowisk CNC do cięcia laserowego, często wyposażonych w systemy monitorowania jakości cięcia w czasie rzeczywistym. Umożliwiają one obróbkę praktycznie wszystkich materiałów konstrukcyjnych, w szerokim zakresie grubości – od cienkich folii po blachy stalowe o grubości 25-30 mm.

Wpływ rodzaju lasera na efektywność i jakość cięcia

Do cięcia laserowego zalecane są przez cały czas lasery gazowe CO₂, ale coraz częściej stosuje się nowoczesne lasery dyskowe, diodowe, a zwłaszcza lasery włóknowe, które cechuje prawie trzykrotnie wyższa sprawność energetyczna (lasery CO₂ – 10-15%, lasery włóknowe – 35-50%) i, co może być najważniejsze, łatwa możliwość robotyzacji procesu cięcia laserowego [2]. Poważną wadą laserów CO₂, poza brakiem możliwości robotyzacji procesu cięcia, jest znaczna trudność cięcia metali o niskim współczynniku absorpcji promieniowania laserowego, o długości fali 10,6 μm, takich jak: miedź i stopy miedzi, aluminium i stopy aluminium, nikiel, srebro, złoto oraz pewne gatunki stali wysokostopowych i nadstopów o niskim współczynniku absorpcji promieniowania laserowego.

Ponieważ stale HSS i UHSS stają się podstawowym materiałem konstrukcyjnym, do cięcia blach z tych stali o większej grubości zaleca się nowoczesne lasery włóknowe, dyskowe i diodowe ze względu na bardzo dużą moc wiązki laserowej (sięgającą 50-120 kW) oraz wysoką jakość wiązki, charakteryzującą się gaussowskim rozkładem energii TEM₀₀ i parametrem jakości BPP < 5,0 mm x mrad. Lasery włóknowe, dyskowe, a zwłaszcza lasery diodowe emitujące wiązkę jednomodową TEM₀₀, o długości fali od 455 nm do 1,08 µm i bardzo wysokim parametrze jakości BPP, wypierają z rynku lasery CO₂, także ze względu na wielokrotnie wyższe prędkości cięcia (rys. 7 i 8).

Wraz ze wzrostem grubości ciętych metali optymalne położenie ogniska wiązki przesuwa się ku dolnej powierzchni przedmiotu, często tuż nad nią. Wówczas absorpcja promieniowania laserowego odbywa się głównie w kanale parowym szczeliny cięcia. Mechanizm absorpcji w kanale parowym różni się od absorpcji na powierzchni materiału. W efekcie, wraz ze wzrostem grubości ciętego materiału, maleje absorpcja promieniowania o długości fali 1,06 µm, a wzrasta absorpcja promieniowania laserów CO₂ o długości fali 10,6 µm. Mimo to lasery na ciele stałym zapewniają większe prędkości cięcia i mniejsze zużycie energii (rys. 9 i 10).

Gaz towarzyszący jest kierowany do szczeliny cięcia przez dyszę otaczającą wiązkę laserową, wzdłuż wiązki laserowej i stanowi bardzo istotny parametr technologiczny procesu cięcia laserowego, wywierający istotny wpływ na wydajność, dokładności i jakości cięcia (rys. 1) [2, 7].

Dzięki zrozumieniu roli i korzyści różnych gazów towarzyszących inżynier spawalnik może podejmować decyzje, które nie tylko usprawnią proces cięcia laserowego i obniżą koszty, ale także poprawią jakość ciętych krawędzi. W procesie cięcia laserowego materiałów konstrukcyjnych stosuje się kilka rodzajów gazów, z których każdy charakteryzuje się odmiennymi adekwatnościami i zaletami (tab. 1).

Temat będzie kontynuowany w kolejnym wydaniu.

Piśmiennictwo

1. Bannister, A. Klimpel, S. Cicero-Gonzales, A. Martin-Meizoso, et. Al: High performance cut edges in structural steel plates for demanding applications (HIPERCUT) EU LIBRARY. ISBN: 978-92-79-61683-9, ISSN: 1831-9424, DOI: 10.2777/525963.
2. Klimpel A. Nowoczesne lasery i technologie laserowe w inżynierii spawalnictwa. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2023.
3. Klimpel A. Jakość cięcia laserowego stali. Stal Metale & Nowe Technologie. Nr 5-6/2012, s. 48-54.
4. Klimpel A. Podstawy Teoretyczne Cięcia Laserowego Metali. Przegląd Spawalnictwa. Nr 6/2012, s. 2-7.
5. Klimpel A.: Wpływ warunków technologicznych cięcia laserowego metali na jakość i prędkość cięcia blach stalowych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa. 2012, rocznik 56, nr 4, s. 48-55.
6. Murali Manohar: CO₂ laser beam cutting of steels: Materials Issues. „Journal of Laser Applications”. Vol. 18, no 2, p. 101-112, May 2006.
7. Antonio Riveiro, et al.: Laser Cutting: A Review on the Influence of Assist Gas. Materials 2019, 12, 157; doi:10.3390/ma12010157
8. PN-EN 1090-2. 2008. Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych.
9. PN-EN ISO 9013. Luty 2008. Cięcie termiczne. Klasyfikacja cięcia termicznego. Specyfikacja geometrii wyrobu i tolerancje jakości.
10. PN-EN ISO 12584. Grudzień 2004. Niezgodności w procesach cięcia płomieniowego tlenowo-gazowego, cięcia wiązką laserową i cięcia plazmowego. Terminologia.
11. https://www.siasat.com/saudi-arabia-4000-year-old-rock-was-seemingly-cut-with-a-laser-so-who-did-it-2204222

prof. dr hab. inż. Andrzej Klimpel
Politechnika Śląska
Wydział Mechaniczny Technologiczny
Laboratorium Badania materiałów

Może zainteresować Cię również: Uzyskanie kredytu technologicznego