Laser

Generalnie definicją cięcia jest pokonanie spójności materiału. Proces ten wymaga dostarczenia energii i ze względu na jej rodzaj, rozróżniamy cięcie mechaniczne, cięcie wiązką promieni lasera,  cięcie strumieniem wody,  cięcie gazowe (tlenem, plazmą). Wszystkie te metody opisane są w niniejszym serwisie. Zacznijmy od lasera….

 

Cięcie laserem to rodzaj obróbki materiałów mający obecnie coraz większe zastosowanie w przemyśle. Jest to metoda termicznego dzielenia materiału, która może następować poprzez:[box]

– sublimację,
– topienie,
– wypalanie.[/box]

Standardowo stosuje się kombinację w/w trzech czynników . Wg definicji cięcie laserem to punktowe wprowadzenie energii  w postaci wysokoenergetycznego strumienia tnącego. Podstawową zaletą cięcia laserowego jest produkt, który bez dodatkowych procesów technologicznych nadaje się do dalszej przeróbki. Warunkiem uzyskania dobrej jakości cięcia i wysokiego stopnia utrzymywania wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest dokładność prowadzenia strumienia tnącego, oraz zastosowanie  najwyższej jakości urządzeń – maszyn do cięcia laserem.  Uzyskujemy wtedy  dużą odporność na drgania i wręcz świetną powtarzalność . Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali. Są wykorzystywane w procesie cięcia stali niestopowych i wysokostopowych, aluminium, tytanu, tworzyw sztucznych, drewna , ceramiki, oraz wielu innych materiałów.

Nie tylko metal

cięcie laserem co2 /kliknij

Nie tylko metale mogą być obrabiane laserem. Przykładowo  laserem CO2 ciąć można również wiele materiałów niemetalicznych, takich jak pleksi, PoliChlorek Vinylu, PoliEtylen, drewno, szkło, ceramika, papier, tekstylia itd. W przemyśle spożywczym możliwe jest nawet bezdotykowe, a więc absolutnie higieniczne, porcjowanie żywności. Również materiały specjalne jak np.: tytan, są cięte laserem CO2. W tym przypadku użycie gazu – argonu daje cięcie o najwyższych parametrach i jakości.

Cięcie laserowe można podzielić na następujące metody:

Cięcie przez odparowanie, które polega na tym, że materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki ulega odparowaniu w atmosferze gazu obojętnego. Metoda ta jest stosowana do obróbki materiałów nie ulegających topnieniu np.: drewno, niektóre tworzywa sztuczne.

Cięcie przez topienie i wydmuchiwanie; materiał poddany do obróbki, pod działaniem zogniskowanej wiązki ulega stopieniu i jest usuwany strumieniem gazu obojętnego. Zastosowanie np.: metale, w szczególności dobre wyniki daje cięcie ciśnieniowe stali nierdzewnych.

Cięcie przez wypalenie, które polega na tym, że materiał poddany działaniu zogniskowanej wiązki jest wypalany przez strumień tlenu lub mieszaniny gazów zawierającej tlen. Zastosowanie: metale i inne materiały spalające się w wysokiej temperaturze. Jest to najczęściej stosowana metoda cięcia, standardowa metoda dla stali węglowych.

Generowanie pęknięć termicznych – zogniskowana wiązka wywołuje naprężenia cieplne, powodujące pękanie materiału. Zastosowanie: materiały kruche, zwłaszcza szkło.

[box type=”bio”] Procesy cięcia dzielimy na trzy etapy:[/box]

+ początek cięcia,
+ cięcie właściwe,
+ zakończenie procesu cięcia.

Podczas procesu cięcia, strumień gazu dostarczany do strefy cięcia z jednej strony blachy powoduje usuwanie stopionego i utlenionego materiału na drugą stronę (przeciwną). W przypadku gdy rozpoczynamy proces cięcia od brzegu blachy, sytuacja taka panuje od początku. Jednak gdy proces cięcia rozpoczynamy w pewnej odległości od brzegu ciętego materiału, wówczas pierwszym procesem cięcia jest wydrążenie otworu. Operacja ta jest trudna, gdyż zanim powstanie otwór, materiał musi być usuwany na tę samą stronę, z której działa gaz. Można stosować trzy metody drążenia otworów podczas procesu cięcia:

+ najprostsza metoda polega na stosowaniu tych samych wartości mocy i ciśnienia gazu, jak przy właściwym procesie cięcia. Dostarczone przez wiązkę ciepło tworzy najpierw jeziorko płynnego metalu o powiększającej się objętości, a następnie strumień gazu powoduje częściowe spalenie i gwałtowne usunięcie pozostałego płynnego metalu ze strefy oddziaływania wiązki. Otwór ma zwykle większe wymiary niż szerokość szczeliny. Jest to metoda szybka, może jednak powodować zanieczyszczenie dyszy. Powstały otwór jest duży i o nieregularnych kształtach. Zmniejszenie otworu początkowego można uzyskać stosując jako gaz roboczy powietrze zamiast tlenu;

+ druga metoda rozpoczęcia cięcia polega na drążeniu otworu metodą impulsową. Impulsy promieniowania o odpowiednio dobranych parametrach powodują kolejne topienie i odparowywanie małych ilości metalu i jednocześnie powstawanie małego otworu. Proces ten jest długi, ale uzyskany otwór jest znacznie mniejszy niż w poprzedniej metodzie;

+ trzeci sposób to metoda pośrednia – otwór powstaje wskutek działania kilku impulsów. Niebezpieczeństwo zabrudzenia dyszy lub soczewki zmniejsza się przez odpowiednie podniesienie dyszy przy pierwszych impulsach.

[box type=”info”] Podczas kończenia procesu cięcia należy zwrócić uwagę na kilka problemów…[/box]

  • … m.in. na odpowiednie podparcie wycinanych części. Brak odpowiedniego podparcia może spowodować zaburzenie linii cięcia, gdy odcinana część będzie się odchylać.
  • Unikanie przegrzania w końcowej fazie – należy zwrócić uwagę, czy ciepło dostarczane przez zbliżającą się do krawędzi wiązkę może być zaabsorbowane przez otaczający materiał bez powodowania nadmiernego wzrostu temperatury.

Cięcie stali niestopowych i niskostopowych z zastosowaniem tlenu jako gazu tnącego jest procesem egzotermicznym. Zachodząca reakcja dostarcza 40% energii potrzebnej do procesu, pozostałe 60% dostarcza promień lasera. Ciśnienie tlenu tnącego przy cięciu tego typu stali nie przekracza 6 bar. Cięcie wysokociśnieniowe z zastosowaniem tlenu do 20 bar stosowane jest dla takich materiałów, jak brąz. Przepływ tlenu tnącego zależy od ciśnienia i średnicy dyszy. Dla cięcia niskociśnieniowego jest to przedział 20-110 l/min. Prędkość cięcia jest bardzo duża i sięga blisko 10 m/min i więcej. Gdy do cięcia stosujemy gaz obojętny np.: azot, cała energia musi pochodzić od promienia laserowego. Wymagana jest więc większa moc urządzeń. Taką metodę stosujemy do cięcia stali wysokostopowych. Tutaj materiał jest topiony przez promień i wydmuchiwany przez strumień gazu obojętnego. Ciśnienie gazu tnącego jest zdecydowanie większe niż przy cięciu tlenem. Ciśnienie azotu wynosi 5-25 bar. Konsekwencją większego ciśnienia jest też większe zużycie gazu. Wynosi ono od 100-600 l/min. Średnice dysz tnących są również większe.

W przypadku cięcia przez wypalanie strumień gazu spełnia następujące funkcje:

+ poprzez spalanie ciętego materiału dostarcza energię ponad energię wiązki,
+ usuwa stopiony i spalony materiał ze szczeliny,
+ chłodzi cięty materiał.

Parametry strumienia gazów wywierają – obok parametrów wiązki i prędkości posuwu wiązki laserowej – zasadniczy wpływ na proces cięcia. Jego prawidłowy przebieg zapewniają następujące czynniki:

+ odpowiednia czystość,
+ właściwe ciśnienie gazu,
+ właściwy stan i ustawienie dyszy.

Dla materiałów niemetalicznych stosuje się azot lub powietrze. Tlen jest stosowany głównie do cięcia gazowego i laserowego stali niestopowych i niskostopowych. Promień laserowy rozgrzewa stal do temperatury zapłonu. Spalanie materiału w strumieniu tlenu do cięcia generuje dodatkową energię cieplną, która wyraźnie przyspiesza proces cięcia laserem. Dzięki krótszemu czasowi obróbki można znacznie obniżyć koszty procesu. Tlenem można ciąć również aluminium. Azot stosowany jest przede wszystkim przy cięciu stali wysokostopowych, ale także przy cięciu aluminiumi niemetali.

Przy cięciu z użyciem tlenu, poprzez spalanie materiału wytwarzana jest szczelina cięcia. Z kolei przy cięciu laserem metodą wytapiania, azot wydmuchuje metal ciekły ze szczeliny cięcia.


[box type=”warning”] Jak każdy rodzaj obróbki materiałów, cięcie laserowe posiada wady i zalety.[/box]

Cięcie laserowe charakteryzuje mała strefa wpływu ciepła, wąska szczelina cięcia, niewielka ilość wprowadzonego ciepła, minimalna deformacja, a także czyste i prostopadłe krawędzie oraz bardzo małe nierówności powierzchni rozdzielenia .Warunkiem uzyskania dobrej jakości cięcia i utrzymania tolerancji wymiarów ciętych elementów konstrukcyjnych jest dokładne prowadzenie strumienia tnącego w połączeniu
z dobrą, stabilną maszyną do cięcia o dużej odporności na drgania i o dobrej powtarzalności ruchów roboczych. REASUMUJĄC:

Do zalet można zaliczyć:

+ wąską strefa wpływu ciepła,
+gładką i czystą powierzchnię cięcia (nie wymaga obróbki wykańczającej),
+oszczędność materiału poprzez występowanie wąskiej szczeliny cięcia,
+ dużą szybkość cięcia,
+ szeroki zakres materiałów poddających się procesowi cięcia,
+ łatwość automatyzacji,
+ dużą elastyczność procesu cięcia laserowego (zobacz video – cięcie laserem >>).

Natomiast do wad zaliczamy:

+ stosunkowo wysoki koszt inwestycyjny,
+ ograniczoną grubość ciętej blachy (jest to podyktowane wymogami jakościowymi).

Cięcie laserem NIE podlega:

+ ograniczeniom ilościowym,
+ wysokim kosztom jednostkowym,
+ ograniczeniom kształtowym elementów wycinanych.

Maksymalne wartości cięcia elementów:

+ stal konstrukcyjna do grubości 20 mm,
+ stal nierdzewna do 15 mm,
+ blachy aluminiowe do 10 mm,
+ szkło organiczne (pleksi) do 30 mm,
+ drewno do 35 mm,
+ wycinanie arkuszy blach o wym. 4000 x 2000 mm i maksymalnym ciężarze 1300 kg.

Nowe Trendy*

Do procesów cięcia, opisywania, znakowania, spawania miedzi i aluminium, a także do procesów powierzchniowych, takich jak napawanie, stopowanie, przetapianie, obróbka cieplna, stosowane są lasery krystaliczne Nd: YAG (Neodym: Itr–Aluminium–Granat). Coraz większe zastosowanie w produkcji przemysłowej mają lasery excimerowe (lasery gazowe w zakresie UV) [6,7], mające główne zastosowanie w medycynie. Lasery te pracują w zakresie długości fal 193÷351 nm.

—————————————–

*źródło :  Dr inż. Wacław MUZYKIEWICZ Mgr inż. Andrzej ŁACH
Akademia Górniczo-Hutnicza, Wydział Metali NieŜelaznych, Kraków
„Analiza możliwości wykonania gęstych  perforacji blach niekonwencjonalnymi  technikami wysokoenergetycznymi „

.