poczta@prometalform.eu
+48 95 762 08 61
+48 95 762 08 61
Nowoczesne technologie obróbki metali
Cięcie laserem blach
Cięcie laserem rur i profili
Spawanie zrobotyzowane
Gięcie blach
+48 95 762 08 61
Cięcie laserem blach
Cięcie laserem rur i profili
Spawanie zrobotyzowane
Gięcie blach
Cięcie laserowe to złożony proces termiczny, w którym skoncentrowana wiązka promieniowania laserowego oddziałuje z materiałem, powodując jego miejscowe topienie, a w niektórych przypadkach również parowanie. Zrozumienie zjawisk fizycznych towarzyszących temu procesowi jest kluczowe dla optymalizacji parametrów obróbki i uzyskania wysokiej jakości cięcia. Niniejszy artykuł omawia fundamentalne mechanizmy fizyczne zachodzące podczas cięcia laserowego, ze szczególnym uwzględnieniem procesów fazowych materiału, formowania szczeliny cięcia oraz zjawisk termicznych w strefie obróbki.
Proces cięcia laserowego rozpoczyna się od absorpcji energii promieniowania elektromagnetycznego przez materiał obrabiany. Efektywność tego procesu zależy od współczynnika absorpcji, który jest funkcją długości fali promieniowania laserowego oraz właściwości optycznych materiału. Dla metali w zakresie podczerwieni, typowym dla laserów CO₂ (λ = 10,6 μm) i laserów światłowodowych (λ ≈ 1,06 μm), absorpcja w temperaturze pokojowej jest stosunkowo niska, wynosząc dla stali około 2-5% dla promieniowania CO₂ i 10-15% dla laserów światłowodowych.
Wzrost temperatury materiału prowadzi do istotnego zwiększenia współczynnika absorpcji, co tworzy sprzężenie zwrotne dodatnie - rosnąca temperatura zwiększa absorpcję, która z kolei przyspiesza dalsze nagrzewanie. Proces ten można opisać równaniem przewodnictwa ciepła z członem źródłowym reprezentującym zaabsorbowaną moc lasera.
Po osiągnięciu temperatury topnienia materiału rozpoczyna się przemiana fazowa ciało stałe-ciecz. Front topnienia przemieszcza się w głąb materiału z prędkością zależną od gęstości mocy lasera, właściwości termofizycznych materiału oraz warunków odprowadzania ciepła. Strefa stopiona charakteryzuje się obecnością konwekcji termicznej i kapilarnej, wywołanej gradientami temperatury oraz napięcia powierzchniowego.
Równowaga energetyczna w strefie topienia uwzględnia ciepło dostarczone przez wiązkę laserową, ciepło utajone topnienia, straty przez przewodnictwo w głąb materiału oraz odprowadzanie stopionego materiału przez gaz roboczy. Dla stali niskowęglowej ciepło utajone topnienia wynosi około 247 kJ/kg, co stanowi znaczącą część całkowitego zapotrzebowania energetycznego procesu.
Przy wystarczająco wysokiej gęstości mocy laserowej temperatura w centrum wiązki może przekroczyć temperaturę wrzenia materiału, inicjując intensywne parowanie. Dla stali temperatura ta wynosi około 2862°C przy ciśnieniu atmosferycznym. Parowanie materiału jest procesem silnie endotermicznym - ciepło utajone parowania stali wynosi około 6090 kJ/kg, co jest ponad 20-krotnie większe niż ciepło utajone topnienia.
Ciśnienie pary nasyczonej wzrasta wykładniczo z temperaturą zgodnie z równaniem Clausiusa-Clapeyrona. W obszarach o najwyższej temperaturze ciśnienie pary może osiągać wartości od kilkudziesięciu do kilkuset kilopaskali, co wywołuje efekt odrzutu pary (recoil pressure). Siła ta oddziałuje na powierzchnię ciekłego metalu, wpływając na kształt frontu topienia i dynamikę usuwania stopionego materiału.
Intensywne parowanie tworzy nad powierzchnią materiału warstwę plazmy, szczególnie podczas cięcia materiałów metalicznych przy wysokich mocach. Plazma ta może częściowo absorbować i rozpraszać promieniowanie laserowe, redukując efektywną moc docierającą do materiału - zjawisko to nazywane jest ekranowaniem plazmowym.
Szczelina cięcia (kerf) powstaje w wyniku usunięcia materiału z obszaru oddziaływania wiązki laserowej i charakteryzuje się specyficzną geometrią trójwymiarową. Szerokość szczeliny u góry materiału jest zwykle większa niż u dołu, co wynika z rozkładu gęstości mocy w wiązce laserowej oraz procesów absorpcji i rozpraszania energii w trakcie penetracji materiału.
Typowa szerokość szczeliny przy cięciu laserem światłowodowym wynosi od 0,1 do 0,4 mm w zależności od grubości materiału i średnicy wiązki. Dla wiązki gaussowskiej szerokość szczeliny w górnej części materiału jest w przybliżeniu równa średnicy wiązki w ognisku powiększonej o współczynnik uwzględniający topienie termiczne.
Front cięcia - powierzchnia oddzielająca stopiany materiał od materiału stałego - charakteryzuje się złożoną geometrią zależną od kierunku ruchu wiązki, prędkości cięcia oraz właściwości materiału. W ruchu ustalonym front ten tworzy nachyloną powierzchnię, której kąt względem kierunku wiązki wzrasta wraz ze zwiększeniem prędkości cięcia.
Rozkład temperatury na froncie cięcia nie jest jednorodny. Najwyższa temperatura występuje w górnej części szczeliny, gdzie wiązka laserowa wchodzi do materiału. W miarę penetracji w głąb, energia jest absorbowana i rozpraszana, prowadząc do obniżenia temperatury w dolnej części szczeliny. Ten gradient temperatury wpływa bezpośrednio na lepkość stopionego metalu i efektywność jego usuwania.
Usuwanie stopionego materiału ze szczeliny odbywa się głównie przez działanie strumienia gazu roboczego, który przepływa wzdłuż frontu cięcia. Mechanizm ten można podzielić na kilka składowych: siły aerodynamiczne wywierane przez strumień gazu, gradient ciśnienia wzdłuż szczeliny, siły grawitacyjne oraz ciśnienie odrzutu pary.
Dla cięcia tlenem dodatkowo zachodzi egzotermiczna reakcja utleniania, która dostarcza znaczącą ilość dodatkowej energii - entalpia utleniania żelaza wynosi około 6,68 MJ/kg, co może stanowić 50-70% całkowitego bilansu energetycznego procesu. Tlenek żelaza charakteryzuje się niższą temperaturą topnienia (około 1377°C dla FeO) i lepkością niż czysty metal, co ułatwia jego usuwanie ze szczeliny.
W przypadku cięcia gazem obojętnym (azot, argon) proces jest czysto fizyczny, opierający się na topieniu i usuwaniu materiału bez wspomagania reakcjami chemicznymi. Wymaga to wyższych mocy lasera, ale zapewnia krawędzie cięcia wolne od warstwy tlenkowej.
Podczas formowania szczeliny mogą wystąpić różne formy niestabilności procesowych. Niestabilność kapilarna stopionego metalu, wywołana fluktuacjami napięcia powierzchniowego i ciśnienia gazu, prowadzi do nieregularnego usuwania materiału i powstawania prążków na powierzchni cięcia. Częstotliwość tych prążków jest skorelowana z prędkością cięcia i parametrami przepływu gazu.
Niestabilność termiczna związana z fluktuacjami absorpcji energii laserowej może powodować lokalne zmiany szerokości szczeliny i chropowatości powierzchni. Zjawisko to jest szczególnie widoczne przy cięciu z prędkościami bliskimi maksymalnym dla danej konfiguracji procesu.
Wypływka (dross) to zestalony materiał przylegający do dolnej krawędzi szczeliny cięcia, powstający gdy stopiany metal nie zostaje całkowicie usunięty przez strumień gazu roboczego. Mechanizm jej formowania jest związany z równowagą sił działających na stopiany metal w dolnej części szczeliny: siły aerodynamiczne od gazu roboczego, napięcie powierzchniowe ciekłego metalu, siły grawitacyjne oraz siły adhezji do krawędzi materiału.
W dolnej części szczeliny, gdzie energia lasera jest częściowo wyczerpana, temperatura stopionego metalu jest niższa, co prowadzi do wzrostu lepkości. Równocześnie prędkość strumienia gazu maleje wskutek strat ciśnienia i rozszerzania się kanału przepływu. Te czynniki sprzyjają akumulacji stopionego materiału przy dolnej krawędzi.
Można wyróżnić kilka typów wypływki różniących się morfologią i mechanizmem powstawania. Wypływka przylegająca powstaje gdy stopiany metal zwilża krawędź cięcia i zestala się tworząc ciągłą warstwę o grubości od kilkudziesięciu do kilkuset mikrometrów. Jest ona trudna do usunięcia i często wymaga dodatkowej obróbki mechanicznej.
Wypływka kulkowa składa się z drobnych kulek zestalałego metalu luźno przylegających do dolnej krawędzi. Powstaje gdy strumień gazu wywołuje atomizację stopionego metalu, a powstałe kropelki zestalają się przed całkowitym usunięciem ze szczeliny. Ten typ wypływki jest zwykle łatwiejszy do usunięcia niż wypływka przylegająca.
Ciśnienie i rodzaj gazu roboczego mają fundamentalny wpływ na formowanie wypływki. Wyższe ciśnienie zwiększa siły aerodynamiczne usuwające stopiany metal, redukując tendencję do tworzenia wypływki. Jednakże nadmierne ciśnienie może prowadzić do turbulencji w strefie cięcia i pogorszenia jakości powierzchni bocznych.
Prędkość cięcia wpływa na czas przebywania stopionego metalu w szczelinie oraz na grubość warstwy stopionej. Przy zbyt dużej prędkości czas ten może być niewystarczający dla efektywnego usunięcia materiału, szczególnie z dolnej części szczeliny. Z drugiej strony, zbyt mała prędkość prowadzi do nadmiernego nagrzewania i zwiększonej objętości stopionego metalu.
Pozycja ogniska wiązki laserowej względem powierzchni materiału determinuje rozkład gęstości mocy wzdłuż grubości materiału. Ognisko umieszczone nieznacznie poniżej górnej powierzchni (typowo 1/3 grubości materiału) zapewnia optymalny kompromis między efektywnym topieniem w dolnej części szczeliny a stabilnością procesu w górnej części.
Optymalizacja parametrów przepływu gazu jest kluczowa dla kontroli wypływki. Zastosowanie wysokiej czystości gazu (szczególnie azotu ≥99,995%) zapobiega utlenianiu stopionego metalu i zmniejsza jego lepkość. Konstrukcja dyszy gazowej powinna zapewniać laminarne, dobrze skolimowane wiązki gazu współosiowej z wiązką laserową.
Pulsacyjna modulacja mocy lasera lub ciśnienia gazu może poprawić dynamikę usuwania stopionego materiału. Impulsy o częstotliwości 100-1000 Hz indukują periodyczne fluktuacje ciśnienia i temperatury, które mogą przełamywać napięcie powierzchniowe i ułatwiać wyrzut materiału ze szczeliny.
Technika cięcia z podwójnym strumieniem gazu, gdzie dodatkowy strumień jest kierowany od strony dolnej materiału, może znacząco redukować wypływkę przy cięciu grubych materiałów. Wymaga to jednak specjalnego oprzyrządowania i jest stosowana głównie w aplikacjach wymagających najwyższej jakości.
Strefa wpływu ciepła (SWC, ang. Heat Affected Zone - HAZ) to obszar materiału, który nie uległ stopieniu, ale został nagrzany do temperatury powodującej zmiany mikrostruktury i właściwości mechanicznych. Szerokość SWC przy cięciu laserowym jest zwykle znacznie mniejsza niż przy konwencjonalnych metodach termicznych, typowo od 0,05 do 0,5 mm, co stanowi jedną z głównych zalet tej technologii.
Rozkład temperatury w SWC można opisać rozwiązaniem równania przewodnictwa ciepła z ruchomym źródłem. Dla cięcia laserowego najbardziej odpowiednie są modele źródła gaussowskiego lub wielowymiarowego źródła objętościowego. Maksymalna temperatura w SWC występuje bezpośrednio przy krawędzi szczeliny i maleje wykładniczo z odległością.
W stalach węglowych i niskostopowych SWC charakteryzuje się obecnością różnych stref mikrostrukturalnych w zależności od osiągniętej temperatury szczytowej. Bezpośrednio przy krawędzi cięcia, w obszarze nagrzanym powyżej temperatury austenityzacji (około 727-912°C dla stali), następuje przemiana struktury wyjściowej w austenit.
Przy szybkościach chłodzenia typowych dla cięcia laserowego (10² do 10⁴ K/s) austenit ulega przemianie w struktury hartownicze: martenzyt, bainit lub mieszankę obu, w zależności od składu chemicznego stali i lokalnej szybkości chłodzenia. Martenzyt charakteryzuje się wysoką twardością (do 600-800 HV dla stali wysokowęglowych), ale również zwiększoną kruchością i podatnością na pękanie.
Dalej od krawędzi cięcia, w obszarze nagrzanym poniżej temperatury austenityzacji ale powyżej około 400-500°C, zachodzą procesy odpuszczania wcześniej istniejących struktur hartowniczych lub zmiany w rozkładzie wydzieleń, prowadzące do lokalnych zmian twardości i właściwości mechanicznych.
Cykl termiczny cięcia laserowego indukuje złożony stan naprężeń własnych w materiale. Podczas nagrzewania materiał w SWC dąży do rozszerzenia termicznego, ale jest ograniczany przez otaczający zimny materiał, co prowadzi do powstania naprężeń ściskających. W trakcie chłodzenia sytuacja ulega odwróceniu - kurczeniu się materiału przeciwdziała otoczenie, generując naprężenia rozciągające.
Ostateczny stan naprężeń własnych po cięciu charakteryzuje się zwykle obecnością naprężeń rozciągających w SWC, osiągających wartości od 50% do 100% granicy plastyczności materiału. Naprężenia te mogą inicjować pękanie, szczególnie w materiałach o niskiej ciągliwości lub w obecności koncentratorów naprężeń.
Rozkład naprężeń własnych jest niejednorodny zarówno wzdłuż głębokości szczeliny, jak i w kierunku prostopadłym do krawędzi cięcia. Gradientowe rozkłady naprężeń mogą prowadzić do deformacji elementów cienkościennych po odcięciu od materiału bazowego.
Redukcja szerokości SWC wymaga minimalizacji całkowitego wkładu ciepła do materiału przy jednoczesnym utrzymaniu stabilności procesu cięcia. Można to osiągnąć przez zwiększenie gęstości mocy lasera poprzez zmniejszenie średnicy wiązki w ognisku. Nowoczesne systemy z laserami światłowodowymi o wysokiej jakości wiązki (M² < 1,1) umożliwiają uzyskanie średnic ogniska poniżej 50 μm.
Zwiększenie prędkości cięcia redukuje czas oddziaływania termicznego na każdy element objętości materiału, prowadząc do węższej SWC. Jednakże istnieje górne ograniczenie prędkości wynikające z dynamiki procesów topienia i usuwania materiału. Optymalna prędkość jest funkcją mocy lasera, grubości materiału i wymagań jakościowych.
Technika cięcia wieloprzejściowego, gdzie kolejne przejścia usuwają materiał etapami, może redukować SWC przez rozproszczenie wkładu ciepła w czasie i przestrzeni. Metoda ta jest jednak mniej wydajna i stosowana głównie w aplikacjach specjalnych.
Zastosowanie chłodzenia wspomagającego, gdzie strumień chłodziwa (woda, emulsja) jest kierowany na krawędź cięcia od strony przeciwnej do wiązki laserowej, może znacząco zwiększyć szybkość chłodzenia i zredukować szerokość SWC. Wymaga to specjalnych systemów podawania chłodziwa i jest ograniczone przez możliwość powstawania pęknięć hartowniczych przy ekstremalnie szybkim chłodzeniu.
Dla stali podatnych na hartowanie można zastosować wstępne podgrzewanie materiału do temperatury 100-300°C, co redukuje szybkość chłodzenia i zapobiega formowaniu się struktur martenzytycznych o wysokiej twardości. Podgrzewanie może być realizowane dodatkowym źródłem ciepła (indukcyjnym, rezystancyjnym) lub defokusowaną wiązką laserową w przejściu poprzedzającym cięcie.
Modyfikacja składu chemicznego stali, szczególnie redukcja zawartości węgla i dodatków stopowych zwiększających hartowność, ogranicza tendencję do formowania się struktur hartowniczych w SWC. Wykorzystanie stali niskowęglowych (C < 0,1%) lub ferrytycznych minimalizuje zmiany strukturalne w SWC.
Obróbka cieplna po cięciu, taka jak odpuszczanie w temperaturze 150-650°C, może zredukować naprężenia własne i poprawić ciągliwość struktur hartowniczych w SWC. Temperatura i czas odpuszczania są dobierane w funkcji składu chemicznego stali i wymaganych właściwości końcowych.
Zjawiska fizyczne zachodzące podczas cięcia laserowego stanowią złożony układ sprzężonych procesów termicznych, fazowych i hydrodynamicznych. Mechanizmy topnienia i parowania materiału determinują energetykę procesu i wymagają precyzyjnej kontroli gęstości mocy lasera oraz czasu oddziaływania. Formowanie szczeliny cięcia jest rezultatem dynamicznej równowagi między dostarczaniem energii, topieniem materiału i jego usuwaniem przez strumień gazu roboczego.
Tworzenie wypływki stanowi jedno z głównych wyzwań technologicznych, wymagające optymalizacji parametrów przepływu gazu i właściwości termofizycznych procesu. Minimalizacja strefy wpływu ciepła jest kluczowa dla zachowania właściwości mechanicznych materiału i wymaga zbalansowanego podejścia uwzględniającego zarówno parametry wiązki laserowej, jak i dynamikę procesu cięcia.
Głębokie zrozumienie tych zjawisk umożliwia świadome projektowanie procesów cięcia laserowego, optymalizację parametrów technologicznych oraz rozwój nowych strategii obróbki zapewniających wysoką jakość i powtarzalność przy minimalnym wpływie na właściwości materiału bazowego.