Właściwości warstwy wierzchniej wybranych stopów metali po cięciu laserem

Z artykułu dowiesz się:

• jakie są wady i zalety technologii cięcia laserowego;
• od czego zależą adekwatności materiału po cięciu;
• jakie badania przeprowadzono.

Proces wytwarzania wyrobów lub półfabrykatów bardzo często rozpoczyna się od operacji cięcia.

Proces cięcia materiałów inżynierskich można realizować metodami mechanicznymi lub też strumieniowo-erozyjnymi. Do metod strumieniowo-erozyjnych zaliczane jest cięcie za pomocą: strugi wodno-ściernej [1], wiązki plazmy [2] i wiązki lasera [3]. Wspominane metody podziału materiałów, ze względu na wiele zalet i szerokie zastosowanie, zalicza się do podstawowych technik technologii rozwiniętych konstrukcji.

Mocne i słabe strony technologii cięcia laserowego

Cięcie laserem jako metodę podziału materiałów inżynierskich stosuje się od lat 70. XX wieku. Technologia ta znajduje zastosowanie w przemyśle lotniczym, samochodowym a także maszynowym do wytwarzania podstawowych elementów [4, 5]. Lasery są stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych [6, 7], jak również niemetalowych [8, 9]. Do mocnych stron technologii cięcia laserem należy zaliczyć:

• dużą prędkość cięcia, a co za tym idzie, dużą wydajność obróbki,
• małą chropowatość powierzchni,
• zadowalającą dokładność wymiarową,
• niższy koszt jednostkowy niż przy cięciu strugą wodno-ścierną,
• łatwość automatyzacji [5, 10-12].

Jednak nie jest to technologia pozbawiona wad. Do słabych stron cięcia laserem należy zaliczyć:

• ograniczenie grubości ciętych materiałów, które zależy od rodzaju materiału,
• występowanie naprężeń rozciągających,
• zmiany mikrostrukturalne, które powodują zmiany adekwatności mechanicznych elementów konstrukcyjnych [7, 13, 14].

Technologie cięcia: niezgodności

W wyniku oddziaływania koherentnej wiązki lasera na powierzchniach i krawędziach przecinanego elementu powstają niezgodności. Zgodnie z PN-EN ISO 17658:2015-06 pod pojęciem niezgodności rozumie się nieprawidłowości lub też odchyłki od określonego kształtu albo położenia linii cięcia. Niezgodności pochodzą bezpośrednio z procesu cięcia, nie uważa się ich natomiast za żadne niekorzystne zjawiska będące wynikiem zewnętrznych naprężeń lub odkształceń. Wyróżnia się następujące rodzaje niezgodności: na krawędziach cięcia (np.: stopienie krawędzi cięcia, ciągły zakrzep kropelek ciekłego metalu, nawis krawędzi cięcia, podtopienia), na powierzchni cięcia (np. miejscowe odchylenie rowków, niepłaskość powierzchni, odchylenie geometryczne), żużel, pęknięcia (mikro- i makropęknięcia) oraz inne niezgodności (np. niecałkowite przecięcie, odchylenie wymiarowe, przypalenie powierzchni).

Cechą charakterystyczną powierzchni po cięciu laserem jest występowanie z pewną częstotliwością linii, tzw. „prążków”. Powstają one w wyniku hydrodynamicznego przepływu roztopionego materiału, fluktuacji w przepływie gazu jak również oscylacji głowicy laserowej [15, 16]. Częstotliwość występowania prążków na powierzchni cięcia wpływa na wysokość chropowatości powierzchni [17]. Powstałe na powierzchni cięcia prążki charakteryzują się różną wysokością i odstępem. To powoduje występowanie obszarów o odmiennej jakości i kształcie, tzw. stref [18].

Czytaj też >> Struna diamentowa. Maleńkie narzędzie o wielkich możliwościach

Reakcje chemiczne i zmiany adekwatności podczas procesu cięcia

Podczas cięcia laserem, gdy gazem procesowym jest tlen, dochodzi do intensywnych reakcji chemicznych, równocześnie ciepło pochodzące z roztopionego materiału przenika do zimnych obszarów otaczających szczelinę cięcia. Ciepło dostarczone do materiału jak również wysoki gradient temperatury powodują powstanie cienkiej, roztopionej warstewki materiału, tzw. strefy wpływu ciepła (SWC) [15]. Dostarczone ciepło sprzyja również przemianom mikrostrukturalnym [18]. Powstała strefa wpływu ciepła jest o niewielkiej grubości, ale w okolicach krawędzi i naroży ma znaczną twardość [16]. Na powierzchni przecinanego materiału w większości przypadków występują niezgodności w postaci mikropęknięć. Obecność mikropęknięć a także przemiany strukturalne powodują znaczne obniżenie wytrzymałości zmęczeniowej [19].

Zmiany adekwatności stereometrycznych warstwy wierzchniej a także przemiany mikrostrukturalne zależą od prędkości cięcia, mocy lasera, rodzaju jak również ciśnienia gazu wspomagającego proces cięcia [16, 18, 20, 21]. Do istotnych czynników wpływających na efekty po cięciu laserem należy zaliczyć również rodzaj materiału oraz jego grubość [18].

Cięcie stali

Podczas cięcia laserem stali C45 na powierzchni przecinanego elementu powstają strefy o zróżnicowanej chropowatości powierzchni. Parametr chropowatości powierzchni R_a dla „strefy wejścia” wynosi R_a = 2,49 ą 0,12 μm, natomiast dla „strefy wyjścia”: R_a = 5,04 ą 0,35 μm. Podobne zależności występują również dla parametrów Rz, Rpk, Rk oraz Rvk. Po procesie cięcia powstaje strefa wpływu ciepła (SWC), której grubość wynosi ok 0,3 mm. Powstała SWC różni się strukturą od materiału rdzenia. W strefie wpływu ciepła widoczne są igiełki martenzytu tuż przy krawędzi a także ferryt + martenzyt [22].

W przypadku cięcia laserem stali niestopowej po procesie obróbki termomechanicznej S 700MC w strefie przykrawędziowej powstaje warstwa bainityczna o twardości ok. 360-405 HV0,1 i grubości 0,6 mm. Parametr chropowatości powierzchni Rz wynosi 13,50 μm. To pozwala na zakwalifikowanie jakości powstałego obszaru powierzchni do klasy 1 zgodnie z PN-EN ISO 9013:2017-04 [23]. Cięcie laserem stali nierdzewnej X5CrNi18-10 o grubości 10 mm powoduje brak prostopadłości przecinanych powierzchni. W zależności od warunków cięcia odchylenie konturu może wynosić od 0,3 mm do 0,75 mm [24].

W literaturze jest wiele prac dotyczących zarówno procesu cięcia laserem, jak i jakości elementów wytwarzanych tą technologią. Badane są w nich różne materiały inżynierskie, brak jest jednak prac, które uwzględniałby jednie wpływ rodzaju materiału przecinanego (stałe parametry cięcia) na badane wskaźniki jakości powierzchni. Dlatego też przeprowadzono takie badania, których celem było określenie wpływu rodzaju materiału na parametry chropowatości powierzchni i mikrotwardość warstwy wierzchniej.