Wykorzystanie laserów do cięcia materiałów ceramicznych

Zaawansowane materiały ceramiczne znajdują szerokie zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu dzięki swoim znakomitym własnościom jak wysoka odporność cieplna, elektryczna oraz korozyjna, stabilność chemiczna, wytrzymałość temperaturowa czy odporność na ścieranie.

Czy komponenty ceramiczne można ciąć laserem?

Z drugiej strony zalety materiałów ceramicznych mogą stanowić znaczne ograniczenie w procesie ich wytwarzania i obróbki. Obróbka skrawaniem komponentów ceramicznych z wykorzystaniem tradycyjnych metod może napotykać liczne trudności ze względu na wysoką twardość i dużą kruchość, jaką cechują się ceramiki. Z tego względu cięcie laserem (https://ciecielaser.pl/) może stanowić dobrą alternatywę dla wytwarzania skomplikowanych komponentów z materiałów ceramicznych. Dodatkowo własności termiczne materiałów ceramicznych (niska przewodność i dyfuzyjność cieplna) czynią je szczególnie wygodnymi do cięcia laserowego.

Co wpływa na jakość krawędzi materiałów ceramicznych ciętych laserowo?

Jakość krawędzi ciętej w procesie cięcia laserem zależy od odpowiedniego doboru parametrów procesu cięcia, w tym prędkości cięcia i moc lasera. Jakość procesu cięcia można ocenić za pomocą charakterystyk wymiarowych, takich jak szerokość cięcia oraz jego odchylenie od osi wzdłuż powierzchni obrabianej. Najbardziej pożądana jest równomierna linia cięcia o niewielkiej szerokości. Proces cięcia laserem materiałów kruchych i o niskiej przewodności cieplnej powoduje powstawanie dużych gradientów termicznych, które generują naprężenia w obrabianym przedmiocie. Może to prowadzić do powstawania w nim mikropęknięć oraz odchyłek nieprzewidywalnych zaburzeń procesu cięcia, co znacząco pogarsza jego jakość. Z tego powodu bardzo ważne jest uważne kontrolowanie procesu cięcia.

Kontrolowanie jakości cięcia za pomocą pomiaru emisji akustycznej

Monitorowanie pracy lasera jest bardzo ważne również dlatego, że umożliwia kontrolę jakości powierzchni ciętej oraz jej poprawę poprzez odpowiedni dobór parametrów cięcia. Skutecznym sposobem na monitorowanie procesu cięcia laserem jest detekcja generowanej aktywności akustycznej za pomocą czujników emisji akustycznej. Czujniki emisji akustycznej wykrywają bowiem fale dźwiękowe emitowane przez materiał, w którym następuje gwałtowna emisja energii na skutek relaksacji naprężeń i powstawania odkształceń. Wyniki badań potwierdzają, że w przypadku niskiej jakości cięcia i obecność żużla poziom emisji akustycznej rejestrowanej przez czujniki jest wyższy niż wtedy, gdy jakość krawędzi ciętej jest wysoka.

Wykorzystanie laserów impulsowych oraz ciągłych w procesach cięcia

Lasery są obecnie coraz częściej wykorzystywane w procesach cięcia. Wynika to z faktu, że umożliwiają one przeprowadzenie tej operacji w sposób szybki i wydajny. Istnieją dwa podstawowe typy laserów, za pomocą których można prowadzić cięcie laserem. Przyjrzyjmy się im bliżej.

Podział laserów ze względu na tryb pracy

Ze względu na tryb pracy wyróżniamy dwa rodzaje laserów. Są to lasery ciągłe i lasery pulsacyjne. Lasery ciągłe emitują wiązkę laserową w sposób stały i nieprzerwany. Zazwyczaj są to lasery typu światłowodowego, które do pracy wykorzystują diody uruchamiane w celu wzbudzenia ośrodka wzmacniającego. Lasery pulsacyjne, nazywane też impulsowymi wytwarzają natomiast serię krótkich impulsów, charakteryzujących się określoną częstotliwością i długością fali. Lasery pulsacyjne mogą w piku generować wyższą moc, niż to wynika z ich mocy średniej. Jest to związane z faktem, że w takich laserach energia, zanim zostanie uwolniona, jest gromadzona w kondensatorach. Przykładowo, możliwe jest wygenerowanie, w piku, przez laser Nd:YAG o mocy średniej na poziomie 25 W, mocy szczytowej równej 5 kW!

Kiedy stosujemy lasery pracującego w sposób ciągły?

Szczytowa moc w piku dla lasera pulsacyjnego lub moc średnia dla lasera ciągłego decyduje o maksymalnej dopuszczalnej grubości ciętego materiału. Wiązka lasera ciągłego o dużej mocy preferowana jest wtedy kiedy wymagana jest duża prędkość cięcia, szczególnie w przypadku grubszych przekrojów. Wynika to z faktu, że najwyższe prędkości cięcia można uzyskać właśnie przy wysokiej średniej mocy lasera. Cięcie laserem w takiej sytuacji może być jednak nieco utrudnionej, ponieważ przy dużych prędkościach cięcia może zachodzić problem z usuwaniem stopionego lub odparowanego materiału z obszaru cięcia. A to z kolei prowadzić może do niewystarczającego odprowadzania ciepła z obszaru cięcia i w rezultacie do nagrzewania się ciętego materiału oraz pogorszenia jakości cięcia.

Zastosowanie laserów pulsacyjnych

Lasery pulsacyjne o niższej średniej mocy preferowane są w przypadku precyzyjnego cięcia, szczególnie drobnych elementów. Z jednej strony wysoka energia w piku mocy zapewnia odpowiednie nagrzanie elementu ciętego, z drugiej strony niewysoka moc średnia powoduje, że proces cięcia przebiega wolniej niż w przypadku cięcia laserem ciągły, ale jednocześnie ciepło jest odprowadzane z obszaru cięcia wydajniej i nie tworzy się żużel. Lasery impulsowe są bardzo przydatne podczas cięcia materiałów o wysokiej przewodności cieplnej oraz elementów o skomplikowanej geometrii, gdzie problemem może być ich przegrzanie.

Wpływ gazu procesowego na przebieg cięcia laserem

Przebieg procesu cięcia laserem zależy od wielu czynników. Jednym z ważniejszych jest rodzaj zastosowanego gazu procesowego oraz ciśnienie, z jakim jest on podawany.

Funkcje gazu procesowego podczas cięcia laserem

Gaz procesowy podczas cięcia laserowego spełnia pięć zasadniczych funkcji. Gaz obojętny ma za zadanie usunąć stopiony materiał z miejsca cięcia, co zapobiega jego zestalaniu się w formie żużla. Gaz aktywny natomiast uczestniczy w egzotermicznej reakcji z materiałem. Przepływ gazu procesowego ma również za zadanie zapobieganie powstawaniu plazmy podczas cięcia grubych elementów za pomocą wiązki o wysokim natężeniu oraz osłonę optyki ogniskującej wiązkę przed rozpryskami ciekłego metalu. Dodatkowo gaz procesowy chłodzi ciętą krawędź, dzięki czemu strefa wpływu ciepła generowana przez wiązkę jest węższa.

Rodzaje gazów procesowych

Od rodzaju zastosowanego gazu procesowego zależy w dużej mierze jakość i wydajność, jaką uzyskujemy, prowadząc cięcie laserem. Powszechnie stosowanymi gazami procesowymi jest azot (gaz obojętny) oraz tlen (gaz aktywny). Azot nie jest gazem całkowicie obojętnym, ale jest powszechnie stosowany w tej roli, ponieważ jest stosunkowo tani. Gazami procesowymi, które są całkowicie obojętne, jest hel oraz argon, które stosuje się podczas cięcia materiałów takich jak tytan.

Cięcie laserem w obecności azotu

Z użyciem azotu prowadzi się cięcie laserem stali, przede wszystkim wysokostopowych oraz nierdzewnych, oraz stopów aluminium i niklu. W przypadku azotu wymagane jest większe ciśnienie niż w przypadku tlenu, aby usunąć stopiony metal z obszaru cięcia. Głównym problemem, jaki wynika z wykorzystania azotu, jest tworzenie się zadziorów zestalonego metalu po zewnętrznej stronie powierzchni ciętej. Zadziory można zmniejszyć lub wyeliminować poprzez odpowiedni dobór innych parametrów cięcia, jak średnica dyszy czy położenie ogniska wiązki. Zazwyczaj ciśnienie azotu w procesie cięcia laserem mieści się w przedziale 10-20 bar i jest tym wyższe im większa grubość materiału. Azot stosowany do cięcia powinien mieć czystość co najmniej 99,8%.

Cięcie laserem w obecności tlenu

Tlen jest zazwyczaj stosowany do cięcia laserem stali miękkich i niestopowych. Występująca w procesie reakcja egzotermiczna powoduje generowanie dodatkowej energii, która przyspiesza proces cięcia. Niestety użycie tlenu prowadzi do utleniania krawędzi ciętych i powstawania żużla. Zapobiegać temu można poprzez staranne kontrolowanie parametrów procesu cięcia. Tlen do procesu cięcia podawany jest pod ciśnieniem 0,5 – 5 bar, przy czym wartość ta maleje ze wzrostem grubości ciętego elementu. Tlen przeznaczony do cięcia laserowego musi być bardzo czysty (min. 99,9%).