Tăierea cu laser a metalelor urmează de obicei un proces în patru etape care devine destul de fascinant atunci când îl analizăm. Totul începe cu un rezonator laser care creează un fascicul puternic, care este apoi amplificat fie prin amestecuri de gaze CO2, fie prin cabluri speciale de fibră optică. Ce se întâmplă în continuare este remarcabil. Lentile extrem de precise concentrează acest fascicul la o dimensiune mai mică decât un fir de păr, cam 0,1 mm în diametru. La aceste intensități, densitatea de putere atinge peste 10 milioane de wați pe centimetru pătrat, suficient pentru a topi oțelul carbon în jumătate de milisecundă, conform unor cercetări recente publicate în Journal of Manufacturing Processes. Pentru a finaliza procesul, gazele auxiliare, cum ar fi oxigenul sau azotul, suflă metalul topit, permițând tăieturi extrem de înguste. Vorbim despre lățimi ale tăieturii de doar 0,15 mm chiar și în foi de oțel inoxidabil de 3 mm grosime.
Cinci sisteme esențiale funcționează în tandem pentru a asigura precizia și eficiența:
Această integrare permite viteze de tăiere de până la 60 m/minut pe oțel moale de 1 mm, menținând toleranțe de ±0,05 mm – esențial pentru componentele de precizie ridicată din industria auto și aerospace
Industria de prelucrare a metalelor lucrează astăzi în mare parte cu trei tehnologii principale de laser: sisteme pe bază de CO2, fibră și cristal. Laserele cu CO2 tind să prelucreze destul de bine metalele neferoase mai groase, deoarece utilizează gaz pentru excitație. Laserele cu fibră au preluat o mare parte din piața pentru lucrări pe table subțiri și medii, deoarece amplifică lumina diodelor prin acele fibre optice. Conform celor mai recente date din Raportul Industrial Laser 2024, laserele cu fibră pot tăia oțel inoxidabil de 3 mm cu o viteză de două până la trei ori mai mare comparativ cu configurațiile tradiționale cu CO2. Laserele cu cristal, inclusiv modelele Nd:YAG, se regăsesc limitate în nișe foarte specifice, cum ar fi tăierea titanului, deși aceste sisteme nu mai înregistrează o creștere semnificativă, în principal din cauza întreținerii și a costurilor de exploatare ridicate.
Laserele cu fibră oferă avantaje distincte:
| Indicator de performanță | Laser cu fibra | Laser CO2 |
|---|---|---|
| Viteza de tăiere (oțel de 1 mm) | 25 m/min | 8 m/min |
| Costul Energiei/Lună* | $1,200 | 3.500 $ |
| Consum de gaz auxiliar | cu 15% mai mic | Standard |
*Pe baza unui sistem de 500 kW, funcționare 24/5
Pentru producătorii care prelucrează metale sub 20 mm, laserele cu fibră asigură o rentabilitate în 18–24 luni datorită consumabilelor reduse și unei disponibilități de 94% (Studiul Economic al Prelucrării Metalelor 2024). Deși sistemele cu CO2 rămân o opțiune pentru atelierele care lucrează cu diverse materiale, inclusiv acrilic sau lemn, acestea consumă cu 50–70% mai multă energie pe tăierea unui metal.
Tăierea cu laser funcționează cel mai bine cu metale care conduc căldura în mod constant și absorb energia laser la rate predictibile. Materiale precum oțel inoxidabil, aluminiu, oțel blând, alamă și cupru se încadrează în această categorie. Oțelul inoxidabil se remarcă deoarece nu se corodează ușor, motiv pentru care este utilizat frecvent în dispozitive medicale și echipamente pentru procesarea alimentelor, acolo unde contează curățenia. Ușurința aluminiului l-a făcut un material de bază pentru avioane și mașini, unde economisirea unor fracțiuni de uncie se traduce în câștiguri reale de performanță. Alama și cuprul nu sunt tăiate la fel de frecvent cu laser, dar joacă roluri importante în sistemele electrice, în ciuda dificultăților pe care le creează. Aceste metale tind să reflecte raza laser, astfel că operatorii au nevoie de echipamente și tehnici speciale pentru a obține tăieturi curate fără a deteriora zonele înconjurătoare.
| Tipul Metalului | Gama de grosime tipică | Principalele domenii de aplicație |
|---|---|---|
| Oțel inoxidabil | 0,5–25 mm | Dispozitive medicale, echipamente pentru procesarea alimentelor |
| Aluminiu | 0,5–20 mm | Panouri auto, disipatoare de căldură |
| Cupru | 0,5–8 mm | Plăci de circuite, schimbătoare de căldură |
Atunci când se lucrează cu materiale din cupru și alamă, apare o problemă majoră deoarece acestea reflectă îmbac mai mult de 90 la sută din energia laserului infraroșu. Această reflexie poate afecta chiar laserul însuși dacă nu este gestionată corespunzător. Aici intervin laserele cu fibră. Acestea funcționează mai bine în acest caz deoarece operează la o lungime de undă mai scurtă, de aproximativ 1.060 nanometri, și au o caracteristică numită modulare adaptivă a puterii care ajută la controlul procesului. Să luăm ca exemplu tăierea plăcilor de cupru cu o grosime de 2 mm. Procesul necesită rate de puls mai mari de 500 Hz, împlus asistență cu gaz de azot pentru a preveni oxidarea în timpul tăierii. Deși toate aceste etape suplimentare înseamnă utilizarea cu 15-20% mai multă energie decât la tăierea oțelului, majoritatea producătorilor consideră că este un compromis valoros doar pentru a menține nivelul de precizie și pentru a-și proteja investițiiile costisitoare în echipamente.
Grosimea materialului de prelucrat are un impact major asupra vitezei cu care îl putem tăia și a cantității de energie consumate în proces. De exemplu, în cazul oțelului moale de 5 mm, viteze de aproximativ 8 metri pe minut funcționează bine. Dar atunci când ne confruntăm cu oțel mai gros, de 20 mm, operatorii trebuie să reducă considerabil viteza, la aproximativ 1,2 m/min, doar pentru a preveni acele deformări frustrante ale marginilor. Ceea ce mulți oameni trec cu vederea este pregătirea suprafeței. Petele de rugină sau acoperirile inegale pot devia de fapt fasciculul laser cu până la jumătate de milimetru, ducând la tot felul de probleme dimensionale ulterioare. Curățarea acestor suprafețe acoperite înainte de a începe face o diferență uriașă. Datele din industrie arată că acest pas simplu îmbunătățește coerența tăierii cu aproximativ 30 la sută, reducând în același timp acumularea de zgură care complică procesarea ulterioară.
Laserelor cu fibră le este posibil să taie materiale la viteze de aproximativ trei ori mai mari decât cele realizate de sistemele tradiționale cu CO2, menținând în același timp toleranțele în interiorul a aproximativ 0,1 mm pe materiale dificile precum oțelul inoxidabil și tablele de aluminiu. Construcția în stare solidă a acestor lasere înseamnă că acestea funcționează cu aproximativ 30% mai eficient din punct de vedere energetic. Această eficiență se traduce în tăieturi mai curate, unde materialul se topește efectiv, în loc de a fi ars, iar cantitatea de căldură care afectează zonele înconjurătoare este mult mai redusă. Analizând cifrele reale din fabricile din întreaga țară, companiile raportează economii între 18 și 22 de cenți per piesă realizată din metale cu grosimea sub 25 mm. Nu este de mirare de ce atât de multe întreprinderi de prelucrare a tablei trec în această perioadă la tehnologia cu laser cu fibră pentru nevoile lor de producție în masă.
Un important producător de piese auto a redus timpul de producție al componentelor de sasiu cu aproape 50% după trecerea la lasere cu fibră de 6 kW pentru prelucrarea foilor de oțel carbon cu grosimi între 2 și 8 mm. Remarcabil este faptul că aceste sisteme noi au eliminat practic necesitatea lucrărilor suplimentare de debavurare, oferind tăieturi curate, fără formare de dross. Calitatea suprafeței obținute este de aproximativ Ra 3,2 microni, ceea ce înseamnă o suprafață foarte netedă. Pentru producătorii care doresc să respecte termenele strânse, acest nivel de precizie face o diferență majoră, mai ales în contextul în care producătorii de autovehicule își intensifică eforturile pentru a îndeplini specificațiile stricte ale vehiculelor electrice, unde fiecare gram contează și toleranțele sunt extrem de mici.
Din ce în ce mai multe companii din industria aerospațială au început să utilizeze lasere cu fibră atunci când lucrează cu piese structurale din aluminiu, cum ar fi cele folosite pentru coastele aripilor și secțiuni ale fuzelajului realizate din aliajul 7075-T6. Motivul? Aceste lasere funcționează la o lungime de undă de aproximativ 1.070 nm, ceea ce ajută la reducerea problemelor legate de reflectivitatea materialului. Acest lucru înseamnă că pot tăia plăci cu o grosime de 10 mm în mod constant, la viteze de aproximativ 15 metri pe minut, menținând variațiile de grosime sub 0,5%. Analizând tendințele recente, aproape 9 din 10 proiecte noi de aeronave includ în prezent într-o formă sau alta componente din aluminiu tăiate cu laser. Ca urmare, accesul la sisteme eficiente de laser cu fibră a devenit aproape esențial pentru ca producătorii să poată îndeplini cerințele stricte privind calitatea AS9100, care sunt standard în întreaga industrie aerospațială.
Azotul servește ca gaz inert de asistență la presiuni între 12 și 20 bar, menținând rezistența materialului la coroziune. Atunci când acest lucru se întâmplă, oxidarea este prevenită și se formează margini curate, ceea ce face ca aceste piese să fie ideale pentru utilizări precum dispozitive medicale sau componente folosite în industria procesării alimentelor. Să luăm ca exemplu oțelul inoxidabil de calitatea 304 cu o grosime de 6 mm. Cu un laser cu fibră de 2 kW care funcționează la o viteză de aproximativ 10-12 metri pe minut, zona afectată termic este de obicei de maximum 0,1 mm. Conform unui studiu recent publicat în Raportul despre Fabricarea Metalelor din 2024, trecerea de la metode bazate pe oxigen la asistența cu azot poate reduce costurile suplimentare de finisare cu aproximativ o treime. Unii parametri importanți de reținut sunt:
Reflexia ridicată a aluminiului (85–92% la o lungime de undă de 1µm) necesită utilizarea unor moduri laser pulsate pentru a preveni devierea fasciculului. Un laser cu fibră de 4kW taie aluminiu 6061-T6 de 8mm cu o viteză de 15 m/min utilizând aer comprimat la 6–8 bar. Pentru a gestiona conductibilitatea termică:
Această abordare asigură o precizie de ±0,05mm, ideală pentru componente precise precum tăvile de baterii auto.
Tăierea asistată cu oxigen este standard pentru oțelul carbon de peste 3mm, unde reacția exotermă crește viteza de tăiere cu până la 40%. Pentru oțel S355JR de 10mm la 3kW, vitezele ating 8–10 m/min. Totuși, oxidarea excesivă poate crea zgură pe partea inferioară. Măsurile eficiente de reducere includ:
Pentru componentele structurale, cum ar fi grinzile I, metodele hibride care combină tăierea cu oxigen și trecerile de finisare cu azot ajută la respectarea standardelor ISO 9013 privind precizia dimensională și calitatea marginii.
Tăierea cu laser este un proces precis în care un fascicul laser puternic este utilizat pentru a topi, arde sau vaporiza materialul destinat tăierii.
Laserii cu fibră oferă o precizie mai mare, o eficiență energetică superioară și costuri mai reduse de întreținere comparativ cu laserii CO2.
Metale precum oțelul inoxidabil, aluminiul, oțelul blând, alama și cuprul sunt potrivite pentru tăierea cu laser datorită conductivității termice și capacității lor de a absorbi energia laserului.
Grosimea materialului influențează viteza de tăiere și consumul de energie. Materialele mai groase necesită adesea viteze de tăiere mai lente pentru a preveni deformarea marginilor.
EN
Hot News
