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 ~1200oC. 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
Co tydzień otrzymaj od nas porządną dawkę wiedzy o branży przemysłowej!
Porównaj produkty
