Cięcie laserowe różnych gatunków stali

Cięcie laserowe jest procesem technologicznym, który można zastosować do bardzo wielu gatunków materiałów o zróżnicowanych własnościach. Za pomocą lasera można ciąć materiały metaliczne, w tym stale, stopy aluminium oraz miedzi czy metale wysokotopliwe oraz niemetaliczne (ceramikę, materiały naturalne, tworzywa sztuczne). Największy odsetek materiałów ciętych laserowo stanowią stale rożnych gatunków.

Cięcie laserowe stali niskowęglowych i niskostopowych

Stale niskowęglowe i niskostopowe należą go grupy materiałów, które stosunkowo łatwo ciąć i wiercić za pomocą lasera. Przypomnijmy, że stale niskowęglowe to stale zawierające poniżej 0.25% C, natomiast stale niskostopowe to stale, w których dodatek jednego pierwiastka stopowego nie przekracza 2%, a ich sumaryczna ilość 3,5%.

Stale niskowęglowe i niskostopowe najlepiej przecinać w obecności tlenu lub powietrza. Zachodząca podczas cięcia egzotermiczna reakcja tlenu i żelaza dostarcza do procesu dodatkowe ilości ciepła, co sprawia, że cięcie laserowe zachodzi z dużą łatwością i szybkością. Chropowatość powierzchni w takim procesie cięcia wynosi około 0,001 mm, co jest bardzo niską wartością. Dodatkowym czynnikiem, który zwiększa prędkość cięcia jest wysoka czystość stali. Im więcej zanieczyszczeń oraz dodatków stopowych tym cięcie laserowe przebiega wolniej. Dodatkowo ze wzrostem ilości dodatków stopowych rośnie również ilość żużla pokrywającego krawędzie cięcia. Widać to dobrze na stalach narzędziowych z dodatkiem Cr lub W.

Cięcie laserowe stali odpornych na korozję

Cięcie laserowe  stali odpornych na korozję jest nieco bardziej skomplikowane. Przypomnijmy, że stale odporne na korozję to stale zawierające m.in. 10,5% Cr. Ze względu na strukturę dzielą się w dużym uproszczeniu na ferrytyczne, austenityczne oraz martenzytyczne.

Stale odporne na korozję ferrytyczne i martenzytyczne można ciąć w obecności tlenu. Powierzchnie po takim cięciu będą równe, jednakże pokryje je warstwa, trudno do usunięcia tlenku chromu. Krawędzie stali austenitycznych ciętych w obecności tlenu poza warstwą tlenku pokryte są również częściowo żużlem. Żużel można usunąć za pomocą szlifowania. Aby zapobiegać powstawaniu żużla w czasie cięcia można zastosować jako gaz towarzyszący argon. Uzyskane podczas takiego cięcia krawędzie są czyste i nie wymagają dodatkowego przygotowania np. przed spawaniem. Użycie argonu podnosi bezpośredni koszt operacji cięcia, jednak pozwala zminimalizować ilość procesów oczyszczania i dalszego przygotowania co sprawia, że koszt ten jest częściowo wyrównywany.

Cięcie laserowe vs. elektrodrążenie

Istnieje wiele metod cięcia. Różnią się one między sobą wieloma aspektami. Poniżej spróbujemy pokrótce porównać cięcie laserowe (https://ciecielaser.pl/wycinanie-laserowe-rur-i-profili/)oraz elektrodrążenie.

Na czym polega cięcie laserem i elektrodrążenie?

Cięcie laserem polega na przecięciu materiału za pomocą wiązki lasera. Wiązka uderzając w powierzchnię ciętego materiału nagrzewa go. W wyniku przekazania energii następuje stopnie i odparowanie materiału w strefie cięcia. Stopiony materiał jest usuwany poza obszar cięcia za pomocą strumienia gazu.

Elektrodrążenie to metoda cięcia w której wywołuje się reakcję elektroerozyjną pomiędzy elektrodami, jedną z elektrod jest narzędzie, drugą cięty materiał. Na skutek reakcji generowana jest bardzo wysoka temperatura, która topi cięty materiał. Działające w obszarze cięcia pole elektryczne powoduje usuwanie cząstek stopionego materiału poza obszar cięcia.

Porównanie procesów cięcia laserem i elektrodrążenia

Cięcie laserowe może być zastosowane w przypadku wielu materiałów, zarówno metalicznych jak i niemetalicznych (w tym skóry, tkanin etc.). Elektrodrążenie natomiast nadaje się jedynie do materiałów, które przewodzą prąd, niemożliwe jest więc cięcie za ich pomocą skór, papieru oraz innych nieprzewodzących materiałów.

Grubość materiału, który można przecinać za pomocą lasera zależy od jego własności i grubości ciętego elementu. Generalnie przyjmuje się, że w przypadku stali węglowych maksymalna grubość cięcia wynosi 40 mm (zazwyczaj nie przekracza się 20 mm). Stale odporne na korozję mają mniejszą maksymalną grubość cięcia, która wynosi około 16 mm (maksymalnie 25 mm). W przypadku elektrodrążenia typowy zakres grubości cięcia to około 40 – 60 mm, ale możliwe jest osiągnięcie nawet 600 mm. Od grubości ciętego materiału zależy także szybkość cięcia. Jeśli przetniemy materiał o takiej samej grubości laserowo i na elektrodrążarce, to pierwsze urządzenie zrealizuje swoje zadanie zdecydowanie szybciej.

Dokładność procesu cięcia przemawia na korzyść elektrodrążenia. Tak naprawdę, jednak oba procesy są bardzo precyzyjne i dokładność jaką zapewnia cięcie laserowe będzie w większości przypadków wystarczająca (i znacząco lepsza niż dla klasycznych metod). Przyjmuje się że dokładność procesu cięcia laserowego wynosi około 0.2 mm, natomiast w przypadku elektrodrążenia te wartości są jeszcze dziesięciokrotnie lepsze. Podobnie rzecz się ma w przypadku szerokości samego cięcia. W przypadku cięcia laserem wynosi ono około 0,5 mm w zależności od stopnia skupienia wiązki. Dla elektrodrążenia wartość ta to 0,1 do 0,2 mm.

Jaj widać każdy z tych procesów ma swoje wady i zalety. Nie da się jednoznacznie określić, która z metod jest lepsza, ponieważ wybór jednej z nich zależy od tego do czego ma być ona dedykowana.

Cięcie laserem – na czym polega i co decyduje o jego przebiegu?

Cięcie laserowe to metoda termicznego rozdzielania, w której jak nazwa wskazuje, wykorzystuje się wiązkę lasera. Metoda jest niezwykle precyzyjna i umożliwia cięcie wielu rodzajów materiałów szybko i z dużą dokładnością.

Na czym polega proces cięcia laserem?

Podczas cięcia laserem energia wiązki promieniowania laserowego (w postaci ciągłej lub impulsowej) prowadzi do miejscowego stopienia i odparowania ciętego materiału. Do obszaru cięcia jest w sposób ciągły doprowadzany gaz, którego zadaniem jest wydmuchiwanie z powstającej szczeliny ciekłego metalu oraz jego par. Obróbka – Cięcie laserowe obejmuje również procesy wytwarzania otworów, czyli wiercenie laserowe. Proces ten jest dużo bardziej skomplikowany i wymaga doprowadzenia znacznie większej ilości energii niż podczas cięcia. Aby prowadzić proces cięcia laserowego wymagane są gęstości mocy rzędu 10000 – 1000000 W/mm2. Co ważne aby uzyskać taką gęstość mocny wcale nie potrzeba lasera o dużej mocy. Wynika to z faktu, że wiązka lasera jest bardzo łatwa do zogniskowania nawet do bardzo małych średnic, co pozwala uzyskać bardzo wysokie gęstości mocy.

Od czego zależy przebieg procesu cięcia laserem?

Mechanizm cięcia laserowego jest skomplikowany. Jego przebieg zależy od dwóch grup czynników, pierwsza związana jest z parametrami wiązki lasera a druga z własnościami fizycznymi ciętego materiału. W trakcie procesu cięcia tworzone jest tzw. oczko cięcia, czyli miejsce w którym materiał zostaje stopiony. Ciekły metal zostaje wyrzucony z obszaru szczeliny przez strumień gazu o dużej prędkości. Podstawowe zalety procesu cięcia laserowego to:

– bardzo małe odkształcenia ciętego materiału,

– duża szybkość oraz dokładność cięcia,

– wąska strefa wpływu ciepła,

– wysoka jakość krawędzi cięcia.

Wszystko to przekłada się na możliwość wykonania elementu praktycznie na gotowo, co znacząco zmniejsza koszty produkcji.

Jakie urządzenia wykorzystuje się w procesie cięcia laserowego?

Proces cięcia laserem może być prowadzony ręcznie oraz automatycznie. Cięcie ręczne jest rzadko stosowane. Większość procesów cięcia laserowego to procesy zautomatyzowane, w pełni sterowane numerycznie. Za ich pomocą można dokonywać operacji cięcia nawet w trzech wymiarach (takie metody cięci stosuje się przykładowo w przemyśle samochodowym do trymowania podzespołów karoserii aut).  Do cięcia powszechnie wykorzystuje się lasery stałe Nd:YAG i ND:Glass o mocy do 5 kW oraz lasery gazowe CO2 o mocy o 40kW. Pozwalają one na cięcie materiałów metalicznych oraz niemetalicznych o grubości do 32 mm.