Jakość procesu cięcia laserowego blach stalowych – wpływ zawartości krzemu i innych pierwiastków stopowych

Wpływ zawartości krzemu i innych pierwiastków stopowych blach ze stali niskostopowych na jakość ciętych laserowo brzegów blach

Wyniki badań [13-16] wyraźnie wskazują, że zawartość krzemu w składzie chemicznym blach stalowych należy uznać jako ważny czynnik w ocenie. Decyduje on o możliwości zapewnienia wysokiej jakości cięcia laserowego. Uznaje się, że zawartość krzemu w największym stopniu spośród wszystkich pierwiastków stopowych stali decyduje o jakości ciętych laserowo brzegów blach. W szczególności:

• o topografii powierzchni (chropowatości Rz5 [µm]),
• prostopadłości lub nachylenia – u [mm],
• oraz objętości nawisu żużla i metalu przy dolnej krawędzi ciętej blachy (rys. 3).

W pracy [10] zaproponowano wprowadzenie do normy PN-EN ISO 9013 dodatkowego kryterium oceny jakości brzegów ciętych termicznie blach – czterech klas oceny nawisu przy dolnej krawędzi:

• DA1 – brak nawisu,
• DA2 – łatwo, ręcznie, usuwany nawis,
• DA3 – średni nawis, wymagający zastosowania szczotki metalowej,
• DA4 – silny nawis, wymagający obróbki mechanicznej.

Reakcje chemiczne: krzem

W stalach konstrukcyjnych, a zwłaszcza typu HSS i UHSS, zawartość krzemu powinna wynosić poniżej 0,03-0,04% [13-15]. Wynika to z silnego oddziaływania krzemu na adhezje zgorzeliny do powierzchni blach stalowych. Krzem cechuje wyższa entalpia tworzenia tlenku krzemu SiO₂ niż żelazo (Fe). W efekcie na powierzchni blach stalowych SiO₂ reaguje z FeO, tworząc przerywaną, kruchą warstwę pośrednią między zgorzeliną a powierzchnią metalu – fazę fajalitu Fe₂SiO₄. Cechuje się ona niską temperaturą topnienia ~1200^oC. Niska zdolność do odkształcenia się tej warstwy pośredniej Fe₂SiO₄ w czasie procesu walcowania i chłodzenia blach sprawia, że zgorzelina słabiej przylega do powierzchni blach. Zawiera szczeliny oraz pęknięcia w powierzchni rozdziału zgorzelina – metal. Faza fajalitu Fe₂SiO₄ o niskiej temperaturze topnienia częściowo stapia się w czasie procesu ponownego nagrzewania blach. Miejscowo stapia SiO₂ z powierzchnią blach.

W czasie procesu śrutowania powierzchni blach przed procesem cięcia laserowego zgorzelina SiO₂ nie jest usuwana z tych obszarów powierzchni blach, gdzie została stopiona przez Fe₂SiO₄. Pozostające na powierzchni blachy ciętej laserowo gniazda zgorzeliny SiO₂ sprawiają, że energia wiązki promieniowania laserowego nie jest równomiernie absorbowana, powodując spadek jakości ciętej powierzchni brzegów blach i zwiększoną objętość nawisu przy dolnej krawędzi blach (rys. 3). Z kolei zwiększona zawartość krzemu w obszarze szczeliny cięcia laserowego sprawia, że na powierzchni czołowej szczeliny tworzy się ciekła warstewka SiO₂. Zwiększa ona napięcie powierzchniowe i lepkość topionego energią wiązki laserowej metalu. Powoduje to wyraźny spadek prędkości cięcia i zwiększenie objętości nawisu, znacznie obniżając jakość procesu cięcia laserowego.

Warstwy tlenków a odkształcenia stali podczas cięcia laserowego

Z drugiej strony blachy stalowe zawierające w swoim składzie chemicznym takie pierwiastki stopowe jak: Cu, Ni, Cr i Mn, które cechują się niższą entalpią tworzenia tlenków niż Fe i tworzące stosunkowo plastyczną warstwę tlenków, sprawiają, że blachy stalowe łatwo się odkształcają w procesie walcowania i zwiększa się adhezja zgorzeliny do powierzchni blach stalowych. To wyjaśnia, dlaczego stale konstrukcyjne niskostopowe o zawartości krzemu do 0,3% i zawierające jednocześnie dodatki stopowe mogą być cięte z dużą prędkością przy jednocześnie wysokiej jakości ciętych krawędzi (rys. 3, tab. 2).

Dodatkowo blachy ze stali niskostopowych zawierające takie pierwiastki stopowe jak: Cu, Ni, Cr i Mn, zwiększają jakość ciętych krawędzi, tak w stanie po walcowaniu, jak i po śrutowaniu. Zapewniają też krótsze czasy przebijania laserowego, z mniejszym odbiciem gazów niż w przypadku cięcia laserowego niezawierających tych pierwiastków stopowych. W pracy [15] wykazano, że zgorzelina walcownicza pokrywająca powierzchnie blach stalowych wywiera niewielki wpływ na chropowatość brzegów blach ciętych laserowo. Natomiast śrutowanie powierzchni blach badanych gatunków stali zwiększyło chropowatość tych powierzchni – poza gatunkiem stali L6217 (rys. 4).

Nowe rozwiązania w procesie laserowego cięcia blach

Oryginalnym i bardzo efektywnym jakościowo rozwiązaniem jest technologia BrightLine fiber firmy TRUMPF. Zapewnia znaczne zwiększenie jakości cięcia laserowego i grubości ciętych blach. Jest to połączenie odpowiedniego kształtowania skupionej wiązki z jednoczesnym zastosowaniem światłowodu dwurdzeniowego doprowadzającego do obszaru cięcia dwie koncentryczne wiązki laserowe (rys. 5) [20].

W urządzeniu laserowym dyskowym TruDisk 5001 fiber, o maks. mocy wiązki jednomodowej TEM₀₀, 5,0 kW, można uzyskać przebijanie otworów o wymiarach/średnicach mniejszych nawet niż grubość blachy. To do tej pory nie było możliwe, np. przebijanie otworów ø1,0 w stali nierdzewnej o grubości 12 mm. Dodatkowe zalety tej technologii to: bardzo wysoka jakość krawędzi ciętej stali nierdzewnej do 25 mm (rys. 6), łatwość wyjmowania wyciętych elementów z uwagi na brak nawisu dolnej krawędzi i stosunkowo szerokiej szczeliny, znacznie krótszy czas wykonania otworów startowych i minimalny odprysk ciętego materiału. To dodatkowo znacznie wydłuża żywotność szkiełek ochronnych.

Galeria

Zobacz więcej