Generowana wiązka laserowa doprowadzana jest za pomocą zwierciadeł do zespołu optycznego, w tym wypadku – soczewki (rys. 1). Skupia ona wiązkę, która stanowi liniowe źródło ciepła topiące materiał, natomiast doprowadzany gaz obróbkowy wyrzuca stopiony materiał ze szczeliny i jednocześnie ochrania zespół optyczny lasera. Współczynnik absorbowania energii świetlnej wiązki jest wprost proporcjonalny do rosnącej temperatury materiału. Istotną rolę odgrywa gęstość mocy wiązki, która aby uzyskać całkowite przepalenie, powinna wynosić ponad 104÷105 W/mm2, w zależności od rodzaju ciętego materiału.

Ze względu na cieplny charakter obróbki możemy ją podzielić na kilka etapów:

1) pochłanianie i przekazanie energii siatce krystalicznej materiału – oddziaływanie na materiał ściśle związane z energetycznym strumieniem lasera, przenikającym w jego głąb,

2) nagrzewanie materiału obrabianego bez efektu niszczącego – w wyniku zmiany energii świetlnej w ciepło następuje nagrzewanie się materiału, które może spowodować zmiany fazowe, chemiczne reakcje powstające na powierzchni warstwy wierzchniej, aktywizowanie się procesu dyfuzji oraz powiększenie się wymiarów geometrycznych,

3) topienie i usuwanie materiału – to zachodzący proces parowania ośrodka (poprzez zamianę wydzielanej przez laser energii cieplnej w nagrzewanie warstw), przy czym temperatura maksymalna odnotowana jest w kolejnych warstwach materiału, począwszy od jego wierzchu,

4) stygnięcie materiału – obszar oddziaływania promieniowania laserowego znajdujący się pod warstwą wierzchnią nawet po zakończeniu impulsu się nagrzewa i zwiększa się strefa wpływu ciepła; obszar ten stygnie znacznie później niż powierzchnia materiału.

Podstawowe parametry cięcia laserem są następujące: gęstość mocy wiązki laserowej w W/mm2, średnica ogniska wiązki w mm, długość ogniskowej w mm, rodzaj gazu obróbkowego i jego ciśnienie w kPa, prędkość cięcia w m/min.

Obróbka wiązką świetlną lasera jest prowadzona wyłącznie metodą zautomatyzowaną lub zrobotyzowaną. Umożliwia to szczegółową kontrolę parametrów cięcia i sterowanie nimi. Dzięki temu otrzymuje się cięte elementy o dużej dokładności kształtowo-wymiarowej.

Gaz obróbkowy

Ważnym czynnikiem technologicznym, który wpływa na efekty cięcia laserem, jest dobór gazu obróbkowego. Stosowane gazy ze względu na swoje właściwości mają ściśle określone przez producentów zalecenia użycia ze względu na rodzaj ciętego materiału (tab. 1).

Tlen lub powietrze, oprócz wyrzucania ciekłego materiału z rejonów cięcia, zwiększają dostarczaną ilość ciepła dzięki występującej reakcji egzotermicznej tlenu z żelazem, a w konsekwencji zwiększają prędkość cięcia. Powietrze jako gaz obróbkowy znalazło największe zastosowanie przy cięciu laserowym ze względu na najmniejsze koszty stosowania. Używa się go przy obróbce stali węglowych, niskostopowych i materiałów niemetalicznych oraz w sytuacjach, gdy jakość ciętej powierzchni nie musi być duża. Tlen z kolei wykorzystuje się w przypadkach, gdy wymagana jest bardzo duża dokładność. Azot stosowany jest najczęściej do cięcia laserowego stali odpornych na korozję, aluminium i stopów niklu do grubości materiału 3,0 mm. Użycie argonu jako gazu obróbkowego wymaga zwiększenia mocy wiązki lasera ze względu na tworzącą się plazmę nad obszarem cięcia, powodującą częściową stratę energii. Stosuje się go do obróbek materiałów trudnotopliwych i reaktywnych, co również jest powodem koniecznego zwiększenia mocy wiązki. Ciśnienie gazu obróbkowego mieści się w zakresie od kilku do 800 kPa, w zależności od rodzaju i grubości ciętego materiału.

Dobór parametrów

Podczas cięcia wiązką światła laserowego dąży się do tego, aby szczelina cięcia była jak najwęższa. Efekt ten uzyskuje się poprzez odpowiedni dobór dyszy gazowej. Średnica dyszy zazwyczaj wynosi 0,75÷3,0 mm.

Istotnym czynnikiem jest też jej poprawne ustawienie – koncentrycznie wraz z wiązką lasera. Zalecany jest dobór dyszy o jak największym stosunku długości do średnicy. Zapewnia to laminarny przepływ gazu obróbkowego. Na jakość i precyzję obróbki wpływa wysokość dyszy nad obrabianym materiałem. Zwykle ma ona wartość zbliżoną do średnicy dyszy i wynosi od 0,5 do 3,0 mm. Obie te wielkości są ściśle powiązane z grubością materiału i są wprost proporcjonalne.·Kolejne parametry, które wpływają na efektywność cięcia, to ogniskowa i moc wiązki. Ta pierwsza decyduje o głębokości ogniska i średnicy wiązki. Dla metali o stosunkowo małej grubości, do 3,0 mm, zalecana jest ogniskowa rzędu 65 mm, pozwalająca przyspieszyć proces cięcia, co automatycznie zwęża szczelinę. Dla grubości powyżej 10,0 mm zalecana długość ogniskowej to 200÷250 mm. Wzrastająca długość ogniskowej korzystnie wpływa na jakość krawędzi ciętej powierzchni. Natomiast moc wiązki podczas cięcia laserowego mieści się w przedziale 400÷5000 W i jest w większości zamieniana na energię cieplną.

Ważnym elementem przy cięciu laserem jest moment jego rozpoczęcia, czyli punkt przebicia. Główne czynniki wpływające na czas przebicia materiału to m.in. długość wiązki i jej moc, a także rodzaj i ciśnienie gazu towarzyszącego procesowi. Podczas kontaktu z powierzchnią materiału strumień częściowo jest odbijany lub pochłonięty przez metal, co powoduje niskie straty energetyczne. Nie ma ich również przy wymianie ciepła z otoczeniem lub są one pomijalnie małe.

Kolejny etap to intensywne parowanie ośrodka. Temperatura materiału znacznie wzrasta, co przekłada się na jego topienie, przy czym osiąga maksimum nie tuż przy powierzchni (z = 0), ale na pewnej odległości w głąb. Gaz towarzyszący obróbce wyrzuca ciekły metal z miejsca przebicia, co przy termicznym charakterze obróbki należy nazwać miejscem wpalenia (rys. 2). Etapowi temu towarzyszy rozbryzg wyrzuconego na powierzchnię materiału stopionego. Nie ma on innego ujścia przy nieprzeciętej jeszcze w pełni blasze i jest wydmuchiwany przez gaz towarzyszący obróbce.

Wiązka lasera nie przebija się przez materiał bezpośrednio na linii cięcia (rys. 3), ponieważ wpłynęłoby to na obniżenie jakości powierzchni z uwagi na mechanizm wpalenia. Powstające rozpryski mogłyby przywierać do powierzchni. Dodatkowo znajdują się one na drodze pracy głowicy, a więc występuje ryzyko kolizji dyszy z resztkami wyrzuconego ze strefy wpalenia stopionego metalu.

Z uwagi na punktowy kontakt wiązki lasera z powierzchnią podczas tworzenia się krateru materiał wyrzucony jest w każdym dostępnym kierunku, co jest kolejnym powodem przyjęcia lokalizacji punktu wpalenia. Dodatkowo z powodu prędkości cięcia, która w chwili przebicia wynosi vc = 0, następuje poszerzenie strefy wpływu ciepła (SWC), szczególnie widocznej od spodu ciętego materiału (rys. 4). Jest ona zależna od grubości materiału, parametrów obróbkowych (głównie prędkości cięcia) i kształtu elementu. Strefa ta odzwierciedla się w rogach, znacznych nawrotach lub zmianach kierunku cięcia. Najbardziej jest jednak widoczna w miejscu wpalenia i wyjścia wiązki z linii cięcia, kończącej proces. To kolejny powód, dla którego ten początkowy etap cięcia znajduje się poza obrysem detalu.

Prędkość cięcia a jakość materiału

Na prędkość cięcia mają wpływ następujące czynniki: moc generowanej wiązki, rodzaj i grubość materiału oraz średnica dyszy. Z racji wykorzystywanej przy cięciu energii cieplnej miejscami krytycznymi są nagłe zmiany kierunku wiązki, co prowadzi do chwilowego zmniejszenia prędkości cięcia. W miejscach takich zwiększa się SWC na materiał. Ze względu na ograniczoną moc wiązki przedział możliwych grubości blach ciętych to zwykle 1÷25 mm.

Dodatkowym wyznacznikiem określającym efektywność obróbki jest parametr wydajności cięcia S. Bierze się w nim pod uwagę prędkość cięcia v, grubość materiału t, szerokość powstałej szczeliny k oraz chropowatość powierzchni R: S = vtkR.

Obserwując powierzchnię pod kątem jej jakości, można ją podzielić na trzy strefy (rys. 5).

Pierwsza strefa charakteryzuje się dobrym wykonaniem – to jednolita powierzchnia z typową dla tej obróbki fakturą. Wiązka lasera tnie materiał z dużą dokładnością. W głąb ciętego arkusza zauważalne jest przejście w strefę II. Najprawdopodobniej wiąże się to z długością ogniskowej. W miejscu tym następuje skumulowanie energii wiązki, co wiąże się ze znacznym pogorszeniem jakości powierzchni. Jest ona zdecydowanie bardziej chropowata. Występują podobne rysy obróbkowe jak w strefie I, lecz z większą częstotliwością. W strefie III natomiast rysy te są bardzo zauważalne, a wykończenie powierzchni jest zdecydowanie najgorsze. Wyrzucony przez gaz towarzyszący stopiony materiał pogarsza jakość. Topiąca energia cieplna również się do tego przyczynia.

W celu uzyskania większej dokładności i precyzji cięcia laserem używa się foli pokrywającej powierzchnię ciętą, aby zmniejszyć współczynnik odbijania światła. Wiązka skupia się wtedy głównie na punktowym miejscu cięcia, przy czym większość energii przekłada się na sam proces przecinania. Eliminuje się w ten sposób refleksyjność materiałów takich jak tytan.

Dzięki skupieniu wiązki i skondensowanej energii technologia laserowa zdecydowanie przewyższa pozostałe metody niekonwencjonalnego cięcia materiałów pod względem szybkości obróbki. Nawet przy większej złożoności elementu czas procesu jest bardzo krótki. Przedmiot wycięty laserem, mimo strefy wpływu ciepła oraz innych drobnych pozostałości obróbkowych, ma proste krawędzie, dokładny kształt i wysoką jakość powierzchni. Uzyskana dokładność kształtowo-wymiarowa pozwala uniknąć dalszych procesów obróbkowych, szczególnie przy mniejszych grubościach ciętego materiału. 

_________________________________________________________________________________________________

LITERATURA

Borkowski P.J., Podstawy wysokociśnieniowych technologii hydrostrumieniowych, Monografie – Politechnika Koszalińska, nr 174, Koszalin 2010.

Klimpel A., Spawanie, zgrzewanie i cięcie metali, Warszawa 2009.

Pacorni J. i in., Dynamic laser piercing of thick section metals, Optics and Laser in Engineering, 2018, vol. 100.

Pessoa D.F. i in., Influence of surface condition due to laser beam cutting on the fatigue behavior of metastable austenitic stainless steel AISI 304, Engineering Fracture Mechanics 2017, vol. 185.

Zimny J., Laserowa obróbka stali, Monografie – Politechnika Częstochowska, nr 67, Częstochowa 1999.