Jakość warstwy wierzchniej blach ciętych laserowo

2008-03-04

W ostatnich kilkunastu latach dzięki wzrostowi konkurencyjności, odczuwalny jest znaczący rozwój w procesach wytwórczych. Aby produkować coraz szybciej, dokładniej oraz taniej konieczne jest jednak zastosowanie nowoczesnych technologii. Sytuacja ta dotyczy również procesów obróbki blach.

Wielu producentów branży metalowej zdecydowało się przy obróbce blach, do procesu wycinania elementów na zastosowanietechnologii laserowej, widząc w niej zarówno korzyści ekonomiczne, jak i technologiczne. Jest to niejako wynikiem rozwoju w dziedzinie budowy laserów, dzięki któremu wycinarki laserowe stały się tańsze i bardziej uniwersalne. Dodatkowo łatwość sterowania oraz możliwość automatyzacji pozwalają proces cięcia laserowego bezproblemowo integrować z innymi procesami wytwórczymi. Cięcie laserem daje bardzo dobre rezultaty co do jakości i prędkości wykonania poszczególnych elementów blaszanych (tab. 1.).


Metoda ta nie jest jednak jedyną technologią cięcia. Stanowi bezpośrednią konkurencję dla takich procesów, jak cięcie strumieniem wodno-ściernym, cięcie plazmowe czy tlenowe. Należy zdawać sobie sprawę, że rozwój nie dotyczy tylko techniki laserowej, ale również innych wymienionych metod cięcia. W rezultacie wszystkie sposoby obróbki pozwalają na uzyskiwanie coraz lepszych jakościowo finalnych elementów. Niemniej jednak cięcie laserowe cechuje się wieloma czynnikami, które mogą dać mu przewagę nad innymi metodami. Są to m.in. dokładność i powtarzalność produkcji, duża prędkość procesu, wąska szczelina cięcia, możliwość cięcia jakościowego – brak dodatkowej obróbki, mała strefa wpływu ciepła, możliwość wycinania skomplikowanych elementów, łatwość integracji z pozostałym procesem technologicznym obróbki blach czy możliwość cięcia niemal każdego materiału.

W technice stosuje się lasery, których źródłem promieniowania może być gaz lub ciało stałe. Powszechnie stosowanym laserem w technologii cięcia jest rezonatorowy laser CO2 (TLF). Posiada on promień o długości fali 10,6 mikrometra. Optyka składa się z serii prowadnic z luster odginających promień wytwarzany w rezonatorze, a prowadzony do urządzenia skupiającego. Urządzenie to składa się z soczewki skupiającej promień do punktu ogniskowej. Gęstość mocy w punkcie skupienia przewyższa wartości 107 W/cm2. Obok tego tupu maszyn spotkać możemy również lasery rubinowe, lasery typu Nd:YAG; Nd-glass czy lasery excimerowe. W procesach cięcia laserowego gazami towarzyszącymi są powietrze, tlen, argon lub azot. Wybór odpowiedniego gazu uzależniony jest od rodzaju ciętego materiału. Przykładowo przy cięciu drewna, aluminium, gumy czy kwarcu najbardziej odpowiednim gazem jest powietrze. Do cięcia stali węglowych, niskostopowych czy miedzi stosuje się tlen. W obecności azotu ciąć można stale odporne na korozję oraz aluminium. Istnieje możliwość cięcia np. tlenem zarówno stali niskowęglowych, jak też stali odpornych na korozję, jednak w takim przypadku przy obróbce stali kwasoodpornych uzyskuje się gorszą jakość cięcia. Proces cięcia laserowego zdeterminowany jest kilkoma czynnikami związanymi z konstrukcją maszyny, parametrami procesu, rodzajem ciętego materiału czy parametrami samego lasera.

Każdy z wymienionych powyżej typów laserów obok swoich niewątpliwych pozytywnych własności może posiadać również pewne ograniczenia. Do najważniejszych zaliczyć można m.in. ograniczoną moc urządzenia. Pociąga to za sobą ograniczenie co do grubości ciętego materiału przy zachowaniu dobrej jakości. Faktem jest, że istnieją na rynku maszyny mogące ciąć blachy powyżej 30 mm, jednak koszt takich urządzeń jest obecnie jeszcze bardzo wysoki. Powinno być również zrozumiałe, że aby uzyskiwać dobre rezultaty jakościowe, laser powinien posiadać odpowiedni zapas mocy. Na ten aspekt należy szczególnie zwrócić uwagę przy zakupie wycinarki. Ogólnie proces cięcia laserowego polega na miejscowym nagrzaniu materiału (zogniskowaną wiązką lasera), utworzeniu szczeliny cięcia oraz usunięciu stopionego materiału poprzez skoncentrowany nadmuch gazu wzdłuż osi wiązki. Cały cykl realizowany jest wzdłuż założonego kształtu wycinanego elementu. W większości przypadków wycinane detale mogą być rozmieszczane na arkuszach o trzech wymiarach:3000x1500 mm; 2500x1250 mm oraz 2000x1000 mm. Istnieją również maszyny przystosowane do arkuszy 4000x2000 mm oraz 4000x2500 mm.

W zależności od ciętego materiału rozróżnia się kilka odmian cięcia laserowego, m. in. przez wytapianie, wysokociśnieniowe bądź przez palenie. Przykładowo cięcie wysokociśnieniowe zalecane jest szczególnie przy obrabianiu materiałów ze stali nierdzewnych oraz stopów aluminium. Większość wytwórców elementów blaszanych wycinanych laserowo zdecydowała się na zakup maszyny z kilku przynajmniej względów. Do najważniejszych zaliczyć można dużą prędkość wycinania elementów (przynajmniej w zakresie grubości blach do 1 - 10 mm) oraz bardzo dobre jakościowo powierzchnie po cięciu, nie wymagające zasadniczo żadnej obróbki wykańczającej. Wymagane jest, kolejny raz, zastosowanie lasera o odpowiednio dużej mocy lub z systemem bezstratnego energetycznie prowadzenia wiązki. Dzięki temu możliwe będzie znaczne zwiększenie liczby produkowanych detali – jakościowo bardzo dobrych.

Wielokrotnie już przewinął się aspekt jakości ciętej powierzchni. Co należy zatem przez tę jakość rozumieć? Odpowiedź na to pytanie wydaje się bardzo prosta. Dla odbiorcy detali ciętych laserowo najważniejsze jest, aby była ona ”ładna”. W rzeczywistości składa się na to kilka parametrów i czynników. Wizualnie dostrzegalna jest chropowatość powierzchni oraz jakość krawędzi. Technologicznie zaś ważne są zarówno twardość powierzchni, jak i jej struktura. Polegając na ocenie wzrokowej możemy dokonać tylko wstępnych oględzin, tj. ocenić, czy nie ma wad. Zalecane jest, aby przeprowadzić co jakiś czas wyrywkową dokładną kontrolę powierzchni w celu zbadania wpływu parametrów obróbki na własności warstwy wierzchniej obrabianej stali. Pozwoli to także na kontrole dobieranych parametrów roboczych do obróbki danego materiału.

W związku z tym, że w procesie cięcia laserowego mamy doczynienia z wydzielaniem ciepła należy spodziewać się, że może ono mieć wpływ na element obrabiany. W szczególności w przypadku, gdy promień lasera przez dłuższy okres pracuje na małej lokalnej powierzchni, może nastąpić odkształcenie elementów lub w przypadku grubszych blach stalowych lokalne utwardzenie powierzchniowe. Pierwszy przypadek dotyczy przede wszystkim drobnych elementów wypalanych z cienkich blach. Na dzień dzisiejszy problem ten staje się jednak coraz mniej kłopotliwy. Wynika to z faktu znacznego wzrostu prędkości kinematycznych w procesie obróbki, zmniejszając tym samym czas oddziaływania promienia na określony element. Zwiększona prędkość wycinania wymaga jednak szczególnej kontroli procesu cięcia. Bardzo istotne jest właściwe ułożenie elementów wycinanych na arkuszu oraz założenie odpowiedniej kolejności palenia. Ma to znaczenie zarówno ekonomiczne, jak i technologiczne, gdyż może skrócić czas wycinania oraz zapobiec kolizji głowicy tnącej z wyciętym elementem. Dla każdego z technologów zajmujących się obróbką laserową ważne powinno być przynajmniej zapoznanie się z badaniami dotyczącymi wpływu promienia lasera na elementy wycinane. Może to być szczególnie istotne w przypadku dalszej obróbki wypalonych laserowo elementów. Przykładowo w sytuacji gdy może nastąpić lokalne utwardzenie materiału ciętego laserem przed dalszą obróbką należy zastosować procesy obróbki cieplnej w celu uzyskania wyjściowej struktury materiału.

Aby zobrazować, jak wygląda jakość warstwy wierzchniej elementów po cięciu laserem, wykonano zestaw próbek materiałów S235JRG2, S355J2G3 i X5CrNi18-10 o wielkości 40x20 mm, o grubościach od 2 mm do 6 mm (tab. 2 a). Do ich wykonania posłużył typowy laser CO2 o maksymalnej mocy 2000 W, sprzężony ze stołem sterowanym numerycznie w trzech osiach. Do ogniskowania użyte zostały soczewki ZnSe o ogniskowych 5” i 7,5”. Aby zachować powtarzalność przeprowadzonych doświadczeń, wartości nastawionych parametrów odpowiadały dokładnie zaleceniom producenta maszyny. Aby zbadać wpływ promienia lasera na jakość warstwy wierzchniej (WW), zdecydowano się na wykonanie następujących badań i pomiarów: chropowatość powierzchni Ra oraz Rz, mikrotwardość przy użyciu metody Vickersa oraz dla wybranych próbek wykonano zdjęcia metalograficzne struktury. Ze względu na spodziewany fakt, że utwardzenie nastąpi na bardzo małej głębokości, pomiar mikrotwardości przeprowadzony został przy obciążeniu 0,9807 N (HV0,1). Zastosowanie większych obciążeń mogłoby zafałszować rzeczywiste wartości.


Badania przeprowadzono na mikrotwardościomierzu FM – 700 firmy Future –Tech. Do pomiaru chropowatości powierzchni użyty został profilografometr firmy Mahr typ S2. Obserwacje mikrostruktury i fotografie metalograficzne wykonano przy użyciu mikroskopu na próbkach trawionych nitalem.


Rys. 1. Powierzchnia próbki po cięciu laserowym z zaznaczonymi miejscami pomiaru chropowatości.

Po wypaleniu wszystkich próbek poddano je poszczególnym badaniom. Po wstępnej wzrokowej ocenie powierzchni po cięciu stwierdzono istnienie dwóch charakterystycznych stref o różnej chropowatości. Wykazywały one zasadniczą różnicę w strukturze wierzchniej. Przeprowadzone następnie badania parametrów chropowatości potwierdziły tę sytuację. Miejsce wyraźnego podziału zlokalizowane było w okolicy połowy grubości materiału. Sytuacja ta dotyczyła wszystkich wykonanych próbek. Dużo mniejszą chropowatością charakteryzowała się część powierzchni od strony wpalenia promienia lasera (rys.2) i wraz z oddalaniem się od niej wartości rosły. Analizując zmierzone wartości parametrów chropowatości można wnioskować, że zwiększają się one wraz ze wzrostem grubości obrabianego materiału. Kolejny raz ujawnia się, jak ważnym czynnikiem jest moc lasera. Przy wypalaniu możliwie najgrubszych blach dla danego lasera należy liczyć się z pogorszeniem jakości ciętej powierzchni. Poddając analizie kształt profilu chropowatości zauważono, że nie otrzymujemy całkowitej powtarzalności. Różnie rozkładają się odstępy chropowatości, jak i indywidualne przebiegi. Różnice widoczne są nie tylko pomiędzy poszczególnymi próbkami, ale także w zestawieniu ze sobą kształtu profilu z powierzchni dłuższej i krótszej tej samej próbki. Oceniając powierzchnię po cięciu i jej chropowatość należy zdawać sobie sprawę, że jej wynikowa jakość jest efektem nałożenia się różnych procesów hydrodynamicznych i termicznych. Zależy ona także od zastosowanego materiału, grubości, czy warunków obróbki. Należy stwierdzić, że w znacznej części przypadków jakość powierzchni cięcia odpowiada toczeniu wykańczającemu. Przy większych grubościach ciętych blach i niezmiennej mocy lasera wartości parametrów chropowatości będą ulegały pogorszeniu. Mogą one zbliżać się do wartości parametrów osiąganych przy szlifowaniu zgrubnym czy toczeniu zgrubnym. Niemniej jednak można powiedzieć, że elementy po cięciu laserowym są w większości przypadków bardzo dobrej jakości. Wykonane próbki zostały poddane pomiarom mikrotwardości w ściśle określonych miejscach. Jako, że największej wartości utwardzenia spodziewano się w okolicy samej krawędzi cięcia, dlatego pierwszy pomiar zlokalizowany został 0,04 mm od krawędzi. Kolejnych dokonano w odległości 0,25 mm oraz 0,5 mm (tab. 2b). Zgodnie z przewidywaniami największe utwardzenie powierzchni nastąpiło zaraz przy krawędzi cięcia. Miało to miejsce bez względu na rodzaj i grubość ciętego materiału. Najwyższe wartości utwardzenia wykazała próbka ze stali S355J2G3, następnie ze stali S235JRG2, na końcu X5CrNi18-10. Przy wzroście dystansu od krawędzi cięcia uwidocznił się szybki spadek utwardzenia. W odległości 0,25 mm zmniejszył się on od kilku do kilkudziesięciu procent w stosunku do pierwszego pomiaru. Zatem spadek twardości w głębszych warstwach materiału oznacza, że zmienia się struktura jego kolejnych warstw od najtwardszych po coraz mniej twarde.


Rys.2. Przykładowa próbka wycięta laserowo.

Dla zobrazowania zmian zachodzących w strukturze materiału po obróbce cięciem laserowym wykonano zdjęcia metalograficzne próbek ze stali S235JRG2 oraz S355J2G3 o grubości 4 mm. W budowie struktury metalograficznej obu próbek można wyróżnić dwa zasadnicze składniki tj. ferryt oraz perlit (rys.3). Zmiany w strukturze w wyniku cięcia promieniem lasera szczególnie wyraźnie widoczne są w próbce ze stali S355J2G3. Strefa utwardzenia jest tu znacznie szersza, niż ma to miejsce w próbce ze stali S235JRG2 (rys.3). Jednocześnie proces utwardzenia przebiegł w warstwie wierzchniej tej próbki prawie równomiernie wzdłuż krawędzi cięcia. Taki efekt może być wynikiem odmiennego składu chemicznego, a w szczególności większej zawartości węgla w stali S355J2G3. Zmiany w strukturze nastąpiły także w próbce ze stali S235JRG2. Nie są one jednak tak znaczne. Jest to najprawdopodobniej wynikiem tego, że mniejsza ilość węgla dyfundowała do warstw bliższych powierzchni, nie powodując jednocześnie znacznego podwyższenia jej twardości. Taką sytuację potwierdzają wyniki badań mikrotwardości, gdzie w próbce ze stali S235JRG2 występują mniejsze różnice w twardościach, mierząc od krawędzi cięcia w głąb materiału, niż ma to miejsce w próbce ze stali S355J2G3.


Rys.3 Widok struktury warstwy wierzchniej wraz z materiałem rdzenia próbki o grubości 4 mm ze stali S355J2G3.


Przeprowadzone badania wykazały, że promień lasera oddziałuje na warstwę wierzchnią wycinanych elementów. Efektem tego jest zarówno różna chropowatość powierzchni, jak i wytworzenie utwardzonych warstw w otoczeniu szczeliny cięcia. Biorąc pod uwagę chropowatość powierzchni, należy stwierdzić, że jej parametry nie przyjmują dużych wartości, co czyni ten proces bardzo dobrym jakościowo. Gdy analizie poddamy utwardzone warstwy, to należy stwierdzić, że nie cechują się one dużą grubością, sięgając do ok. 0,5-1 mm w głąb materiału, ale lokalnie mogą osiągać duże wartości, nawet do 500 HV0,1. Ma to miejsce szczególnie w okolicach krawędzi ciętych laserem. Świadomość istnienia utwardzonej warstwy jest szczególnie istotna w przypadku konieczności przeprowadzenia dalszej obróbki wykańczającej wycinanych elementów. Wymaga to bowiem zastosowania odpowiednich narzędzi i technologii obróbki.

Źródło: mgr inż. Ariel Brzozowski , Wydawnictwo Stal & Nowe Technologie

Źródło: [er]



  • Plazma

    Gość: Jon | 2015-06-16 15:32:52

    "Już w pierwszej tabelce są błędy. Jakość krawędzi przy cięciu plazmą strasznie spada ze wzrostem grubości - blacha 20mm cięta plazmą ma straszliwa krawędź mimo że 2mm są tak ładne jak i po laserze czy po wodzie."

    Proponuję porównać z 20 ciętą laserową - po plazmie jest idealnie gładka (mimo innych ułomności tej technologii) przy laserze CO2 6kW jest idealnie - poszarpana. Mówimy oczywiście o standardowych blachach, a nie produkcji pod laser.

  • laser

    Gość: jurek | 2014-01-13 09:39:41

    zgadzam się z derkiem, ja akurat preferuje cięcie blach laserem,zwykle korzystam z usług http://bmtpro.com/

  • Derek

    Gość: Kel | 2010-09-08 11:33:19

    Już w pierwszej tabelce są błędy. Jakość krawędzi przy cięciu plazmą strasznie spada ze wzrostem grubości - blacha 20mm cięta plazmą ma straszliwa krawędź mimo że 2mm są tak ładne jak i po laserze czy po wodzie.

    Prędkość cięcia wodą jest o wiele wolniejsza od prędkości cięcia laserem.

    Odkształcenia zależą od tego jak obrobiony był (gorąco i na zimno materiał, laser przekazuje sporo ciepła do blachy i źle walcowana (czy nie odprężane blachy) potem się szalenie deformują - na wodzie nie ma czegoś takiego.

  • laser

    Gość: slaff | 2009-10-22 21:15:36

    znalazłem jeden błąd odnośnie gęstości mocy wiązki "107 W/cm2" gdyby była tak niska to nawet papieru by nie przeciął, z moich obliczeń na maszynie jakiej pracowałem czyli TRUMPF Trumatic 600L o mocy lasera 3000W, którego szerokość cięcia wynosiła 0.2mm, domniemuję że wiązka była też tej średnicy, pole powierzchni wiązki to Pi x r2 3,14x0.1/2 = 0.0314 100/0.0314=3184,7 takich wiązek na cm2 a to się równa 3184,7x3000W=9554140W to prawie 10MW autor pomylił się prawie sto tysięcy razy :P

Dodaj komentarz