Cięcie metalu laserem zazwyczaj odbywa się w czterech krokach, co staje się naprawdę interesujące, gdy się to rozłoży. Cały proces zaczyna się od rezonatora laserowego, który wytwarza silny promień, następnie wzmocniony za pomocą mieszanki gazów CO2 lub specjalnych kabli światłowodowych. To, co dzieje się dalej, jest naprawdę niezwykłe. Nadzwyczaj dokładne soczewki skupiają ten promień do rozmiaru mniejszego niż pojedynczy włos, około 0,1 mm średnicy. Przy takich natężeniach gęstość mocy przekracza 10 milionów watów na centymetr kwadratowy, co wystarcza, by stopić stal węglową w ciągu zaledwie pół milisekundy, jak wynika z najnowszych badań opublikowanych w Journal of Manufacturing Processes. Aby zakończyć proces, gaz pomocniczy, taki jak tlen lub azot, usuwa stopiony metal, umożliwiając uzyskanie wyjątkowo wąskich cięć. Mowa tu o szerokościach cięcia (kerf) nawet do 0,15 mm w blachach ze stali nierdzewnej o grubości 3 mm.
Pięć podstawowych systemów współpracuje ze sobą, aby zapewnić precyzję i skuteczność:
Ta integracja umożliwia osiągnięcie prędkości cięcia do 60 m/min na stali miękkiej o grubości 1 mm przy zachowaniu tolerancji ±0,05 mm – co jest niezbędne dla precyzyjnych komponentów w motoryzacji i lotnictwie.
Dzisiejsza branża przetwórstwa metalowego opiera się głównie na trzech głównych technologiach laserowych: systemach opartych na CO2, włóknach oraz kryształach. Lasery CO2 doskonale radzą sobie z cięciem grubszych metali nieżelaznych, ponieważ do wzbudzania wykorzystują gaz. Lasery włóknowe przejęły dużą część rynku związanych z cięciem cienkiego i średniego blachy dzięki wzmocnieniu światła diodowego w światłowodach. Zgodnie z najnowszymi danymi z Industrial Laser Report 2024 roku, lasery włóknowe potrafią ciąć stal nierdzewną o grubości 3 mm z prędkością dwukrotnie do trzykrotnie większą niż tradycyjne systemy CO2. Lasery kryształowe, w tym modele Nd:YAG, znajdują zastosowanie w bardzo wąskich niszach, takich jak cięcie tytanu, jednak rozwój tych systemów wyhamował głównie z powodu dużych wymagań serwisowych i konieczności utrzymania.
Lasery włóknowe oferują wyraźne zalety:
| Wskaźnik wydajności | Laser Włókienkowy | Co2 laser |
|---|---|---|
| Prędkość cięcia (1 mm stali) | 25 m/min | 8 m/min |
| Koszt energii/miesiąc* | 1 200 USD | 3500 USD |
| Spalanie w trybie wspomagania | o 15% mniej | Standard |
*Na podstawie systemu 500 kW, pracy 24/5
Dla producentów przetwarzających metale o grubości poniżej 20 mm, lasery włóknowe zapewniają zwrot z inwestycji w ciągu 18–24 miesiące dzięki zmniejszeniu zużycia materiałów eksploatacyjnych i 94% czasowi pracy (Badanie Ekonomiczne Obróbki Metali 2024). Chociaż systemy CO2 są wciąż odpowiednie dla warsztatów zajmujących się różnymi materiałami, które przetwarzają akryl lub drewno, to zużywają one o 50–70% więcej energii na cięcie metalu.
Cięcie laserowe najlepiej sprawdza się w przypadku metali, które równomiernie przewodzą ciepło i wchłaniają energię lasera w przewidywalnym tempie. Do tej kategorii należą materiały takie jak stal nierdzewna, aluminium, stal konstrukcyjna, mosiądz i miedź. Stal nierdzewna wyróżnia się odpornością na korozję, dlatego tak często można ją spotkać w urządzeniach medycznych czy maszynach do przetwórstwa spożywczego, gdzie liczy się czystość. Lekkość aluminium sprawiła, że stał się ono materiałem wyboru w przemyśle lotniczym i motoryzacyjnym – oszczędność nawet kilku gramów przekłada się na realne zyski pod względem osiągów. Mosiądz i miedź nie są tak często cięte laserem, mimo to odgrywają istotną rolę w systemach elektrycznych, pomimo trudności, jakie stwarzają. Metale te mają tendencję do odbijania wiązki laserowej, dlatego operatorzy potrzebują specjalistycznego sprzętu i technik, by osiągnąć czyste cięcie bez uszkadzania otaczających obszarów.
| Typ metalu | Typowy zakres grubości | Kluczowe obszary zastosowania |
|---|---|---|
| Stal nierdzewna | 0,5–25 mm | Urządzenia medyczne, maszyny do przetwórstwa spożywczego |
| Aluminium | 0,5–20 mm | Elementy karoserii samochodowej, radiatory |
| Miedź | 0,5–8 mm | Płyty drukowane, wymienniki ciepła |
Przy pracy z materiałami takimi jak miedź i mosiądz pojawia się duży problem, ponieważ odbijają one aż ponad 90 procent energii podczerwonego lasera. To odbicie może faktycznie uszkodzić sam laser, jeśli nie zostanie odpowiednio zneutralizowane. Tu z pomocą przychodzą lasery włóknowe. Działają one lepiej w tym przypadku, ponieważ pracują przy krótszej długości fali, około 1060 nanometrów, a także posiadają coś zwanego adaptacyjną modulacją mocy, co pomaga kontrolować proces. Przykładem może być cięcie płytek miedzianych o grubości 2 mm. Wymaga ono częstotliwości impulsów wyższej niż 500 Hz oraz wspomagania gazem azotu, aby zapobiec utlenianiu podczas cięcia. Mimo że wszystkie te dodatkowe kroki oznaczają zużycie około 15 do 20 procent więcej energii niż przy cięciu stali, większość producentów uważa to za uzasadnione, by zachować dokładność oraz chronić inwestycje w drogie urządzenia.
Grubość materiału ma duży wpływ na prędkość cięcia oraz zużycie energii w procesie. Na przykład, przy stalach miękkich o grubości 5 mm, dobre rezultaty daje prędkość około 8 metrów na minutę. Natomiast przy grubszych materiałach, takich jak stal 20 mm, operatorzy muszą znacznie zwolnić do około 1,2 m/min, aby uniknąć nieprzyjemnych odkształceń krawędzi. Często zaniedkiwanym aspektem jest przygotowanie powierzchni. Plamy rdzy czy nierównomierne powłoki mogą odchylić wiązkę laserową nawet o pół milimetra, powodując później problemy z wymiarami. Oczywiste staje się, że dokładne oczyszczenie powierzchni przed rozpoczęciem pracy czyni ogromną różnicę. Dane branżowe pokazują, że ten prosty krok zwiększa spójność cięcia o około 30 procent, a także zmniejsza niechciany osad, który utrudnia dalsze przetwarzanie.
Laserami światłowodowymi można ciąć materiały z prędkościami około trzy razy wyższymi niż w przypadku tradycyjnych systemów CO2, przy jednoczesnym zachowaniu tolerancji rzędu 0,1 mm na trudnych materiałach, takich jak blachy ze stali nierdzewnej czy aluminium. Konstrukcja w stanie stałym, na której opierają się te lasery, sprawia, że zużywają one o około 30 procent mniej energii. Ta wydajność przekłada się na czystsze cięcia, przy których materiał właściwie się topi zamiast być spalany, a także na znacznie mniejsze oddziaływanie ciepła na otaczające obszary. Spoglądając na rzeczywiste dane z hal produkcyjnych z całego kraju, firmy zgłaszają oszczędności rzędu 18 do 22 centów na każdej części wykonanej z metalu o grubości mniejszej niż 25 mm. Nic dziwnego, że tak wiele zakładów blacharskich w ostatnich latach przechodzi na technologię laserów światłowodowych w celu realizacji dużych partii produkcji.
Jedna z dużych marek w branży motoryzacyjnej skróciła czas produkcji elementów podwozia o prawie połowę, gdy przeszła na lasery włóknowe o mocy 6 kW do pracy ze stalowymi arkuszami o grubości od 2 do 8 mm. Co naprawdę imponuje, to jak nowe systemy niemal całkowicie wyeliminowały konieczność dodatkowego usuwania zadziorów, ponieważ wycinają czysto, bez tworzenia osadu. Wykończenie powierzchni wynosi około Ra 3,2 mikrona, co daje bardzo gładki efekt. Dla producentów walczących z napiętymi harmonogramami, tego rodzaju precyzja znaczy ogromną różnicę, zwłaszcza w miarę jak producenci samochodów zacieśniają wymagania dotyczące specyfikacji dla pojazdów elektrycznych, gdzie każdy gram ma znaczenie, a tolerancje są bardzo niewielkie.
Coraz więcej firm z branży lotniczej zaczyna sięgać po lasery włóknowe podczas pracy z aluminiowymi elementami konstrukcyjnymi, takimi jak używane w żebrach skrzydeł czy sekcjach kadłubów wykonanych ze stopu 7075-T6. Dlaczego? Działają one przy długości fali około 1070 nm, co pomaga ograniczyć problemy związane z odbiciowym materiału. Oznacza to, że są w stanie ciąć płyty o grubości 10 mm z prędkością około 15 metrów na minutę, zachowując odchylenia grubości poniżej 0,5%. Patrząc na najnowsze trendy, aż 9 na 10 nowych projektów samolotów obecnie uwzględnia jakiś rodzaj aluminiowego komponentu wyciętego laserem. W związku z tym dostęp do sprawnych systemów laserowych włóknowych stał się niemalże koniecznością, jeśli producenci chcą spełniać rygorystyczne wymagania jakościowe normy AS9100, które są standardem w przemyśle lotniczym.
Azot działa jako obojętny gaz pomocniczy pod ciśnieniem od 12 do 20 bar, który utrzymuje odporność materiału na korozję. Gdy to się dzieje, utlenianie zostaje zapobiegne, a także powstają czyste krawędzie, co czyni te części idealnymi do zastosowań takich jak urządzenia medyczne czy komponenty używane w przemyśle spożywczym. Weźmy na przykład stal nierdzewną gatunku 304 o grubości 6 mm. Przy cięciu laserem włóknowym o mocy 2 kW, z prędkością około 10 do 12 metrów na minutę, typowo strefa wpływu ciepła nie przekracza 0,1 mm. Zgodnie z najnowszymi badaniami opublikowanymi w raporcie Metal Fabrication Report za 2024 rok, przejście z metod opartych na tlenie na pomoc azotu może obniżyć koszty dodatkowego wykańczania o około jedną trzecią. Warto zwrócić uwagę na kilka istotnych parametrów:
Wysoka odbijalność aluminium (85–92% przy długości fali 1 µm) wymaga zastosowania impulsowego trybu lasera, aby zapobiec odchyleniu wiązki. Laser włóknowy o mocy 4 kW cięcie aluminium 6061-T6 o grubości 8 mm z prędkością 15 m/min przy użyciu sprężonego powietrza o ciśnieniu 6–8 bar. Aby zabezpieczyć się przed przewodnictwem cieplnym:
Takie podejście zapewnia dokładność ±0,05 mm, co jest idealne do precyzyjnych elementów, takich jak tace akumulatorów samochodowych.
Cięcie z użyciem tlenu jest standardem dla stali węglowej o grubości powyżej 3 mm, gdzie reakcja egzotermiczna zwiększa prędkość cięcia nawet o 40%. Dla stali S355JR o grubości 10 mm przy mocy 3 kW osiąga się prędkości 8–10 m/min. Jednak nadmierne utlenianie może powodować powstawanie żużlu na dolnej stronie. Efektywne środki zaradcze obejmują:
Dla elementów konstrukcyjnych, takich jak belki dwuteowe, metody hybrydowe łączące cięcie tlenem z końcowymi przebiegami azotowymi pomagają spełnić normę ISO 9013 dotyczącą dokładności wymiarowej i jakości krawędzi.
Cięcie laserem to precyzyjny proces, w którym silny promień laserowy służy do topienia, spalania lub wyparowania materiału w celu jego cięcia.
Laser światłowodowy oferuje większą precyzję, lepszą efektywność energetyczną oraz niższe koszty utrzymania w porównaniu do lasera CO2.
Metale takie jak stal nierdzewna, aluminium, stal konstrukcyjna, mosiądz i miedź nadają się do cięcia laserowego ze względu na ich przewodnictwo cieplne i zdolność absorpcji energii laserowej.
Grubość materiału wpływa na prędkość cięcia i zużycie energii. Grubsze materiały często wymagają mniejszej prędkości cięcia, aby zapobiec zniekształceniom krawędzi.
EN
Hot News
