Technologia
Cięcie laserowe:
Laser:
Cięcie laserowe - wstęp
Cięcie laserowe (jedna z metod cięcia termicznego) – jest nowoczesną metoda obróbki o parametrach wymiarowych podobnych do obróbki mechanicznej. Stanowi podstawę ekonomicznej produkcji w procesie wytwarzania w przemyśle. Za cięciem laserowym w porównaniu z innymi metodami obróbki przemawia precyzja, szybkość oraz ekonomia. Celem cięcia laserowego jest wytwarzanie elementów, które bez dodatkowej obróbki nadają się do dalszej przeróbki.
Cięcie laserowe – metody
Według normy cięcie laserowe podzielone jest na trzy metody:
- Cięcie laserowe za pomocą spalania – podczas cięcia tą metodą materiał cięty zostaje nagrzany promieniem lasera, zogniskowanego na powierzchni w obszarze szczeliny cięcia, do temperatury zapłonu, która dla stali konstrukcyjnej wynosi 1150-1200 oC. Najczęstszym zastosowaniem cięcia laserowego za pomocą spalania jest obrabianie stali niestopowych i niskostopowych. W tlenie tnącym materiał spala się w szczelinie cięcia , tworząc rzadkopłynny żużel, który zostaje wydmuchany ze szczeliny przez energię kinetyczną strumienia tlenu tnącego. egzotermiczna reakcja tlenu tnącego z ciętym materiałem wytwarza część potrzebnej energii i umożliwia w ten sposób uzyskanie dużych prędkości cięcia przy względnie małej mocy promienia lasera.
- Cięcie laserowe za pomocą stapiania – podczas cięcia tą metodą materiał cięty zostaje stopiony na całej grubości promieniem laserowym o dużej intensywności, a następnie wydmuchany ze szczeliny cięcia za pomocą gazu tnącego, który wypływa z dyszy z dużą energią kinetyczną. Cięcie laserowe za pomocą stapiania stosuje się głownie do cięcia stali wysokostopowych i metali nieżelaznych. Jako gaz tnący, który służy również do ochrony urządzeń optycznych stosuje się azot lub argon. W przeciwieństwie do cięcia laserowego za pomocą spalania, przy cięciu laserowym za pomocą stapiania, cała energia potrzebna do nagrzania materiału w szczelinie cięcia do temperatury topnienia musi być dostarczona za pomocą promienia laserowego lub przez wprowadzenie energii elektrycznej. Ponieważ podczas cięcia laserowego za pomocą stapiania gaz tnący nie reaguje z ciętym materiałem egzotermicznie, a tym samym nie wspomaga procesu cięcia, przy tej samej mocy lasera prędkość cięcia jest znacznie mniejsza niż przy cięciu ze spalaniem. Szczególną zaletą cięcia laserowego za pomocą stapiania są powierzchnie cięcia wolne od tlenków, co jest zaletą szczególnie podczas cięcia stali wysokostopowych. Aby móc dobrze wydmuchać lepką ciecz, np. w przypadku cięcia stali chromowo - niklowych i uzyskać powierzchnie cięcia bez gratu, stosuje się ciśnienia gazu tnącego na poziomie 15 - 20 bar. Oznacza to, że głowica tnąca musi być również przystosowana do tak wysokich ciśnień. Dotyczy to również urządzeń dostarczających gaz tnący.
- Cięcie laserowe z wykorzystaniem sublimacji – podczas cięcia tą metodą materiał cięty zostaje w szczelinie cięcia samorzutnie wyparowany w wyniku działania zogniskowanego promienia laserowego o dużej intensywności i wydmuchany ze szczeliny cięcia na skutek dużego ciśnienia pary i gazu tnącego. Przy dokładnej obserwacji procesów zachodzących procesów nie można tych trzech sposobów cięcia laserowego rozdzielić.
Najczęściej stosowana jest kombinacja trzech rodzajów do oddzielania materiału poddanego procesowi wycinania laserem.
Cięcie laserowe – wady i zalety
Wady cięcia laserowego:
- duży koszt inwestycyjny;
- ograniczona grubość ciętej blachy ze względów jakościowych.
Zalety cięcia laserowego:
- Duża precyzja cięcia, dokładność oraz jakość cięcia
- Wąska strefa wpływu ciepła,
- Gładka i czysta powierzchnia cięcia (zbędna staje się obróbka wykańczająca),
- Oszczędność materiału poprzez występowanie wąskiej szczeliny cięcia,
- Duża szybkość cięcia,
- Szeroki zakres materiałów poddających się procesowi cięcia (od metali po drewno, tworzywa sztuczne i inne),
- Łatwość automatyzacji (proste sterowanie przebiegiem produkcji i możliwość integracji z innymi systemami),
- Duża elastyczność procesu cięcia laserowego,
Laser – informacje techniczne
Laser (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Wzmocnienie światła poprzez wymuszoną emisję promieniowania) to kwantowy generator monochromatycznej, spójnej (koherentnej) i spolaryzowanej wiązki światła. Mechnizm generowania światła przez lasery opiera się na zjawisku wymuszonej emisji promieniowania w ośrodku po odwróceniu (inwersji) obsadzeń. Zasadniczymi elementami lasera są: ośrodek czynny, rezonator optyczny, układ pompujący. Do cięcia stosuje się głównie lasery oparte o dwutlenek węgla (tzw. lasery gazowe) oraz kryształy (tzw. lasery na ciele stałym). Lasery są obecnie szeroko stosowane zarówno do cięcia materiałów metalowych jak i niemetali.
Ośrodek czynny
Pozwala on na wzbudzenie silnej fali elektromagnetycznej. Elektrony molekuł ośrodka czynnego w pierwszym etapie są wzbudzane na wyższy poziom energetyczny (tzw. pompowanie), po czym gwałtownie powracają do stanu podstawowego wyzwalając impuls elektromagnetyczny o wysokiej energii. Powtarzanie pompowania i wyzwalania powoduje powstawanie promienia laserowego. Układ ogniskujący pozwala na skupienie stosunkowo dużej energii wiązki laserowej w małym obszarze, co powoduje powstawanie wysokich temperatur w obszarze ścieżki cięcia laserowego.
Układ pompujący
Zadaniem układu jest przeniesienie jak największej liczby elektronów w substancji czynnej do stanu wzbudzonego. Układ musi być wydajny by zapewnić inwersję obsadzeń. Pompowanie lasera odbywa się poprzez błysk lampy błyskowej (flesza), błysk innego lasera, przepływ prądu (wyładowanie) w gazie, reakcję chemiczną, zderzenia atomów, wstrzelenie wiązki elektronów do substancji.
Rezonator optyczny
Układ ten pełni rolę dodatniego sprzężenia zwrotnego dla światła o wybranym kierunku i określonej długości fali. Spośród wszystkich możliwych kierunków świecenia i wszystkich dostępnych dla ośrodka długości fal, jedynie światło o parametrach ustalonych przez rezonator będzie wzmacniane na tyle mocno, by doprowadzić do akcji laserowej. Układ optyczny składający się zazwyczaj z dwóch zwierciadeł, z czego przynajmniej jedno jest częściowo przepuszczalne. Dokładnie wykonane i odpowiednio ustawione zwierciadła stanowią rezonator dla wybranej częstotliwości fali i określonego kierunku ruchu - tylko te fotony, dla których układ optyczny jest rezonatorem wielokrotnie przebiegają przez ośrodek czynny wywołując emisję kolejnych fotonów spójnych z nimi. Pozostałe fotony zanikają w ośrodku czynnym lub układzie optycznym.
Laser – gazy stosowane podczas cięcia
Gazy laserowe
Gazy laserowe są mieszaniną dwutlenku węgla, helu i azotu o bardzo dużej czystości. Stosunek składników mieszanki jest dokładnie dobierany dla danego typu lasera. Aby mieć pewność, że gaz laserowy spełnia wymagania odnośnie czystości, aż do wejścia do lasera, niezbędne jest wykonanie specjalnego doprowadzenia gazów.
Gazy robocze (tnące):
- TLEN - do cięcia laserowego za pomocą spalania stali niestopowych korzystne jest stosowanie tlenu o wysokiej czystości. Zalecany jest tlen 3,5 (99,95%). W porównaniu do tlenu o czystości 2,5 (99,5%) można ciąć z prędkością większą o ok. 20%.
- AZOT - do cięcia stali wysokostopowych, materiałów ocynkowanych, powlekanych galwanicznie itp. oraz materiałów niemetalowych stosuje się azot. Do celów produkcyjnych jego czystość wynosi zwykle 2,8 (99,8%). Jednak przy cięciu gazem tej klasy mogą występować barwy nalotowe na dolnych krawędziach cięcia. Przy zamiarze uzyskania metalicznie czystych powierzchni cięcia należy stosować azot o czystości min. 3,5, jednak podraża to bardzo koszt wykonania wyrobu.
- Inne gazy robocze - do cięcia aluminium stosuje się mieszaniny azotu, tlenu i argonu. Do ciecia tytanu jako gaz tnący zalecany jest czysty argon lub mieszanina argon - tlen. Obecnie z powodzeniem do cięcia używa się również sprężonego powietrza o podwyższonej czystości, jednak kosztem znacznego spadku wydajności procesu wycinania.
