Technologia cięcia laserowego – cz. II

W projekcie HIPERCUT ‒ High performance cut edges in structural steel plates for demanding applications [1], wykonanym w ramach funduszu europejskiego RFCS, zaproponowano nowoczesne i praktyczne kryteria oceny jakości wad cięcia laserowego wraz warunkami technologicznymi cięcia laserowego, stosując jako kryterium łatwość usunięcia nawisu klasy jakości: DA – przywieranie nawisu do dolnej krawędzi blachy. DA1 – brak nawisu, DA2 – łatwo usuwany ręcznie, DA3 – usuwany szczotką drucianą, DA4 – znaczny nawis metalu i żużla, wymagający obróbki mechanicznej (tab. 4).

Podsumowanie

Pierwszym przemysłowym zastosowaniem wiązki laserowej było cięcie blach stalowych laserem gazowym CO₂, zademonstrowane już w 1967 roku [1, 2].

Postęp w budowie urządzeń laserowych oraz mechatronice wspomaganej sztuczną inteligencją znacząco rozwinął technologię cięcia. Szczególnie ważna jest robotyzacja, automatyzacja oraz układy CNC do precyzyjnego pozycjonowania głowic laserowych i obrabianych elementów.
Rozwój badań nad cięciem laserowym sprawił, że jest to dziś jedna z podstawowych metod obróbki materiałów konstrukcyjnych. Technologia ta zapewnia wysoką dokładność oraz bardzo dobrą jakość krawędzi. Charakteryzuje się także bardzo wąską strefą wpływu ciepła (SWC), często trudną do wykrycia klasycznymi metodami metalograficznymi (rys. 1 i 4).

Podstawowe zalety technologii cięcia laserowego sprawiają, że coraz częściej zastępuje ona inne metody.
W wielu zastosowaniach wypiera cięcie tlenowe, plazmowe, strumieniem wody oraz mechaniczne.
Dotyczy to szczególnie cienkich materiałów – od folii po blachy o grubości około 30–50 mm.
Najważniejsze zalety tej technologii to:

• duże prędkości cięcia,
• łatwość automatyzacji i/lub robotyzacji procesu cięcia,
• wysoka dokładność wymiarowa cięcia i gładkość powierzchni cięcia, umożliwiająca cięcie wyrobów bez dodatkowej obróbki mechanicznej, wymaganej często po procesach cięcia tlenem i cięcia plazmowego palnikami konwencjonalnymi,
• wąska SWC i związane z tym minimalne oddziaływanie cieplne na cięty materiał, 
• wąska szczelina cięcia o minimalnym odchyleniu oraz gładkiej i równej powierzchni cięcia, min. zaokrągleniu górnej krawędzi cięcia; brak nawisu metalu i żużla na dolnej krawędzi cięcia,
• wysoka niezawodność automatycznych urządzeń laserowych z uwagi na bezkontaktowy charakter procesu cięcia oraz możliwość prowadzenia w jednym cyklu cięcia kształtowego, wycinania otworów, przebijania itd., 
• znacznie mniejsza emisja szkodliwych dymów i pyłów w stosunku do cięcia tlenem i cięcia łukiem plazmowym.

Natomiast ograniczenia lub wady cięcia laserowego są następujące:

• maksymalne grubości ciętych przedmiotów zapewniających wysoką jakość krawędzi, ograniczone są do 30-50 mm,
• w przypadku cięcia laserowego blach stalowych o wysokiej lub ultrawysokiej wytrzymałości (HSS i UHSS) wysoki gradient naprężeń i rozkładu twardości w SWC może powodować pękanie kruche krawędzi blach elementów konstrukcji podlegających obciążeniom zmęczeniowym, udarowym i dynamicznym,
• bardzo niebezpieczne dla operatorów niewidzialne promieniowanie elektromagnetyczne oraz rozprysk ciekłego metalu, 
• wysoki koszt urządzeń laserowych, 
• specjalne wymagania w stosunku do stanu powierzchni, składu chemicznego i własności fizycznych ciętych materiałów.

Piśmiennictwo

1. Bannister, A. Klimpel, S. Cicero-Gonzales,  A. Martin-Meizoso, et. Al: High performance cut edges in structural steel plates for demanding applications (HIPERCUT) EU LIBRARY. ISBN: 978-92-79-61683-9, ISSN: 1831-9424, DOI: 10.2777/525963.
2. Klimpel A. Nowoczesne lasery i technologie laserowe w inżynierii spawalnictwa. Wyd. Pol. Śląskiej, Gliwice 2023.
3. Klimpel A. Jakość cięcia laserowego stali. Stal Metale & Nowe Technologie. Nr 5-6/2012, s. 48-54.
4. Klimpel A. Podstawy Teoretyczne Cięcia Laserowego Metali. Przegląd Spawalnictwa. Nr 6/2012, s. 2-7.
5. Klimpel A.: Wpływ warunków technologicznych cięcia laserowego metali na jakość i prędkość cięcia blach stalowych. Biuletyn Instytutu Spawalnictwa. 2012, rocznik 56, nr 4, s. 48-55.
6. Murali Manohar: CO₂ laser beam cutting of steels: Materials Issues. „Journal of Laser Applications”. Vol. 18, no 2, p. 101-112, May 2006.
7. Antonio Riveiro, et al.:  Laser Cutting: A Review on the Influence of Assist Gas. Materials 2019, 12, 157; doi:10.3390/ma12010157
8. PN-EN 1090-2. 2008. Wykonanie konstrukcji stalowych i aluminiowych. Część 2: Wymagania techniczne dotyczące konstrukcji stalowych.
9. PN-EN ISO 9013. Luty 2008. Cięcie termiczne. Klasyfikacja cięcia termicznego. Specyfikacja geometrii wyrobu i tolerancje jakości.
10. PN-EN ISO 12584. Grudzień 2004. Niezgodności w procesach cięcia płomieniowego tlenowo-gazowego, cięcia wiązką laserową i cięcia plazmowego. Terminologia.
11. https://www.siasat.com/saudi-arabia-4000-year-old-rock-was-seemingly-cut-with-a-laser-so-who-did-it-2204222

prof. dr hab. inż. Andrzej Klimpel
Politechnika Śląska
Wydział Mechaniczny Technologiczny
Laboratorium Badania Materiałów

Może Cię również zainteresować: Diagnostyka zmieniaczy narzędzi centrów obróbczych

Galeria

Zobacz więcej

Mogą zainteresować Cię również

Struna diamentowa. Maleńkie narzędzie o wielkich możliwościach

Czy głowica jest sercem wycinarki laserowej?

Ocena parametrów krawędzi ciętej masywnych i porowatych stopów metali

zobacz więcej